Đieu khien turbine thuy dien

8/10/2019 Đieu Khien Turbine Thuy Dien

http://slidepdf.com/reader/full/dieu-khien-turbine-thuy-dien 1/101



ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

*****

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -------------------------------------

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Trần Vinh Phú

Lớp: CHTĐH-K10

Chuyên ngành: Tự động hoá

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Nguyễn Văn Liễn

Ngày giao đề tài: 15/02/2009

Ngày hoàn thành: 30/07/2009

NGƯỜI HƯỚNG DẪN

PGS.TS: Nguyễn Văn Liễn

HỌC VIÊN

Trần Vinh Phú



LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những nghiên cứu dƣới đây là của tôi , nếu sai tôi xin chịu

hoàn toàn trách nhiệm.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2009 Ngƣời cam đoan

Trần Vinh Phú



MỤC LỤC

Lời cam đoan 1

Lời nói đầu 5

Chƣơng 1: TỔNG QUAN 7

1.1. Máy phát điện 7

1.2. Tổng quan về nhà máy thuỷ điện 10

1.2.1. Tình hình phát triển thuỷ điện 10

1.2.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện 11

1.2.3. Phân loại nhà máy thuỷ điện 11

1.2.4. Cấu tạo nhà máy thuỷ điện 14

1.2.5. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện 19

CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC VÀ HỆ ĐIỀU KHIỂN CỦA TURBINE 25

2.1. Khái niệm cơ bản 25

2.2. Phân loại các loại Turbine 26

2.2.1 Turbine phản kích 27

2.2.2 Turbine hƣớng trục 27

2.2.3 Turbine tâm trục 28

2.2.4 Turbine hƣớng chéo 29

2.2.5 Turbine xung lực 30

2.2.6 Turbine gáo 30

2.2.7 Turbine tia nghiêng 31

2.2.8 Turbine tác dụng kép 31

2.3. Cấu tạo Turbine Kaplan 32

2.3.1 Buồng Turbine 32

2.3.2 Stato 33

2.3.3 Bộ phận hƣớng nƣớc 33

2.3.4 Bánh xe công tác Turbine 34

2.3.5 Trục và ổ trục 35



2.3.6 Các bộ phận phụ của turbine 35

2.4. Các thong số đặc tính Turbine 36

2.4.1.Cột áp Turbine 36

2.4.2. Lƣu lƣợng Turbine 36

2.4.3. Công suất 37

2.4.4. Hiệu suất 37

2.4.5. Đƣờng kính bánh xe công tác và số vòng quay của Turbine 38

2.5. Hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc 38

2.5.1.Các yêu cầu với hệ điều tốc Turbine 38

2.5.2. Đặc điểm của hệ thống điều chỉnh Turbine 39

2.5.3. Đặc tính của hệ thống điều chỉnh Turbine 41

2.5.4. Phân loại bộ điều tốc 44

2.5.5. Cấu trúc của hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc 50

2.5.6. Tính toán thông số chính của điều tốc Turbine 53

CHƢƠNG 3: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE 60

3.1. Đặt vấn đề 60

3.2. Mô hình toán học 61

3.2.1. Khâu Turbine 61

3.2.2. Khâu khuếch đại 62

3.2.3. Các khâu đo 63

3.3. Tổng hợp hệ thống 64

3.3.1. Tổng hợp mạch vòng vị trí 64

3.3.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ 65

3.3.3.Mô phỏng hệ thống điều chỉnh turbine 67

CHƢƠNG IV: NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU CHỈNH TURBINE 71

4.1. Giới thiệu chung 71

4.2. Cơ sở lý thuyết về điều chỉnh LQ 71

4.2.1. Bộ điều chỉnh LQR 71



LỜI NÓI ĐẦU

Turbine thuỷ là thiết bị quan trọng trong nhà máy thuỷ điện, việc điều chỉnh

tốc độ Turbine thuỷ điện quyết định các chỉ tiêu kỹ thuật của nhà máy điện, khả

năng ổn định tần số của máy phát. Thực tế đã có nhiều nghiên cứu về Turbine thuỷ

điện và các phƣơng pháp điều tốc Turbine thuỷ điện. Trong phạm vi luận văn này

tôi tập trung nghiên cứu lý luận tổng quan, phƣơng pháp thiết kế, xây dựng bộ điều

tốc Turbine thuỷ điện, … và đƣa ra phƣơng án nâng cao chất lƣợng bằng điều khiển

LQ .

Trong thời gian không dài, luận văn đã đƣợc hoàn thành các yêu cầu đặt ra khi

tính toán thiết kế hệ thống điều tốc Turbine thuỷ điện. Xây dựng đƣợc hệ thống điều

khiển với đầy đủ các chức năng đồng thời nghiên cứu, phát triển bằng điều khiển

Linear Quadratic. Luận văn gồm 2 phần liên quan chặt chẽ với nhau, phần 1 nghiên

cứu Xây dựng hệ thống điều chỉnh Turbine thuỷ lực và phần 2 nghiên cứu nâng cao

chất lƣợng bằng điều khiển LQ cho điều tốc Turbine thuỷ điện. Toàn bộ luận văn

đƣợc chia thành 4 chƣơng: - Chương I: Tổng quan

- Chương II: Cấu trúc và hệ điều chỉnh Turbine

- Chương III: Tổng hợp hệ thống điều tốc Turbine

- Chương IV: Nâng cao chất lượng bằng điều khiển LQ cho điều tốc

Turbine thuỷ điện

Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của PGS.TSKH. Nguyễn Văn Liễn tôi đã hoàn

thành đồ án đáp ứng đầy đủ các yêu cầu của đề tài. Do thời gian và kinh nghiệm có

hạn, vấn đề điều tốc Turbine là vấn đề quan trọng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố

nên luận văn còn nhiều điểm cần tiếp tục nghiên cứu phát triển trong tƣơng lai. Tôi

rất mong nhận đƣợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng

nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.



Sau thời gian thực hiện, đến nay bản luận văn của tôi đã hoàn thành với kết

quả tốt. Trƣớc thành công này tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy

PGS.TSKH. Nguyễn Văn Liễn, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi hoànthành đề tài này, tôi cũng xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới các anh các chị trong

Trung tâm Công nghệ cao Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội cũng nhƣ gia đình,

bạn bè đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn.

Ngày . . .tháng …. năm 2009

Học viên:

Trần Vinh Phú



Luận văn tốt nghiệp Cao học 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1. Máy phát điện

Máy điện đồng bộ được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Phạm vi sử dụng

chính là biến đổi cơ năng thành điện năng, nghĩa là làm máy phát điện, điện năng ba

pha được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân và trong đời sống sản suất từ

các máy phát điện quay bằng Turbine hơi, Turbine khí hoặc Turbine nước.

Máy điện đồng bộ còn được dùng làm động cơ, đặc biệt trong các thiết bị lớn vì

khác với các động cơ không đồng bộ, chúng có khả năng phát ra công suất phản

kháng.

Thông thường các máy điện đồng bộ được tính toán sao cho chúng có khả năng

phát ra công suất phản kháng bằng công suất tác dụng.

Máy phát điện đồng bộ:

Máy phát điện đồng bộ thường được kéo bởi các Turbine hơi hoặc Turbine

nước. Máy phát Turbine hơi có tốc độ quay cao hơn do đó được chế tạo theo kiểu

cực ẩn và có trục máy nằm ngang. Máy phát Turbine nước thường có tốc độ quaythấp nên có kết cấu theo kiểu cực lồi và nói chung trục máy được đặt thẳng đứng.

Trong trường hợp máy phát điện có công suất nhỏ và cần di động thì thường dùng

Điêzen thường có cấu tạo cực lồi.

Kết cấu:

Để thấy rõ đặc điểm về kết cấu của máy điện đồng bộ, ta xét riêng rẽ kết cấu của

máy cực ẩn và máy cực lồi.

a. Kết cấu của máy đồng bộ cực ẩn.

Roto của máy đồng bộ cực ẩn làm bằng thép hợp kim chất lượng cao, được rèn

thành khối hình trụ, sau đó gia công và phay rãnh để đặt dây quấn kích từ.

Các máy điện đồng bộ hiện đại cực ẩn thường được chế tạo với số cực 2p = 2,

tốc độ quay của Rôto là 3000 vòng/ phút và để hạn chế lực li tâm, trong phạm vi an

toàn đối với thép hợp kim chế tạo thành lõi thép Roto, đường kính d của R oto




không quá 1.1 đến 1.15 mét. Để tăng công suất máy, chỉ có thể tăng chiều dài l của

Roto. Chiều dài tối đa của R oto vào khoảng 6.5 mét.

Dây quấn kích từ đặt trong rãnh R oto được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện

chữ nhật, quấn theo chiều mỏng thành các bối dây đồng tâm. Các vòng dây của bối

dây này được cách điện với nhau bằng một lớp Mica mỏng. Để cố định và ép chặt

dây quấn kích từ trong rãnh, miệng rãnh được nêm kín bở i các thanh nêm bằng thép

không từ tính. Phần đầu nối (nằm ngoài rãnh) của dây quấn kích từ được đai chặt

bằng các ống trụ thép không từ tính.

Hai đầu dây quấn kích từ đi luồn trong đầu trục nối với hai vành trượt đặt ở đầu

trục thông qua hai chổi điện để nối với dòng kích từ một chiều.

Máy kích từ này thường được nối trục với trục máy đồng bộ hoặc có trục chung

với máy đồng bộ.

Stato của máy đồng bộ cực ẩn bao gồm lõi thép, trong đó có đặt dây quấn ba

pha và thân máy, nắp máy. Lõi thép stato được ép bằng các lá tôn silic dày 0.5mm,

hai mặt có phủ sơn cách điện. Dọc chiều dài lõi thép stato cứ cách khoảng 6cm lại

có một rãnh thông gió ngang trục, rộng 10mm. Lõi thép stato được đặt cố định trongthân máy. Trong các máy đồng bộ có công suất trung bình và lớn, thân máy được

cấu tạo theo kết cấu khung thép, mặt ngoài bọc bằng các tấm thép dát dày. Thân

máy phải thiết kế và cấu tạo sao cho trong nó hình thành hệ thống đường thông gió

làm lạnh máy điện. Nắp máy cũng được chế tạo từ thép tấm hoặc từ gang đúc. Ở

các máy đồng bộ công suất trung bình và lớn, ổ trục không đặt ở nắp máy mà ở giá

đỡ, ổ trục đặt cố định trên bệ máy.

Kết cấu máy phát điện đồng bộ cực lồi.

Máy phát điện đồng bộ cực lồi thường có tốc độ quay thấp, vì vậy khác với máy

điện đồng bộ cực ẩn, đường kính Rôto d của nó có thể lên tới 15m trong khi chiều

dài l lại nhỏ,với tỉ lệ l/d = 0.15-0.2

Roto của máy điện cực lồi công suất nhỏ và trung bình có lõi thép được được

chế tạo bằng thép đúc và gia công thành khối lăng trụ hoặc khối hình trụ (bánh xe)

trên mặt đó đặt các cực từ. Ở các máy lớn lõi thép đó được hình thành bởi các tấm




thép dày 1- 6mm, được dập hoặc đúc định hình sẵn để ghép thành các khối lăng trụ

và lõi thép này thường không trực tiếp lồng vào trục máy. Cực từ đặt trên lõi thép

Roto được ghép bằng những lá thép dày 1 – 1.5mm.

Việc cố định cực từ trên lõi thép được thực hiện nhờ đuôi hình chữ T hoặc bằng

các Bulông xuyên qua mặt cực và vít chặt vào lõi thép Roto.

Dây quấn kích từ được chế tạo từ dây đồng trần, tiết diện chữ nhật quấn theo

chiều mỏng thành từng cuộn dây đồng tâm, cách điện giữa các vòng dây là các lớp

Mica hoặc Amiăng. Các cuộn dây sau khi gia công được lồng vào thân cực.

Dây quấn cản (trong máy phát đồng bộ) hoặc dây quấn mở máy được đặt trên

đầu các cực. Các dây quấn này giống như dây quấn kiểu lồng sóc của máy điện

không đồng bộ, nghĩa là làm bằng các thanh đồng đặt trong rãnh các đầu cực và

được nối hai đầu bởi hai vòng ngắn mạch.

Dây quấn mở máy chỉ khác dây quấn cản ở chỗ điện trở các thanh dẫn của nó

lớn hơn. Stato của máy điện đồng bộ cực lồi có cấu tạo tương tự như máy điện

đồng bộ cực ẩn.

Trục máy điện đồng bộ cực lồi có thể đặt nằm ngang như các máy bù đồng bộ,máy phát điện điêzen, máy phát turbine nước công suất nhỏ và tốc độ quay tương

đối lớn (khoảng trên 2000 vòng/ phút). Ở đây máy phát Turbine nước công suất lớn

tốc độ chậm, trục máy được đặt thẳng đứng. Khi trục máy đặt thẳng đứng, ổ trục đỡ

rất quan trọng. Nếu ổ trục đỡ đặt ở trên đầu của trục thì máy thuộc kiểu treo, còn

nếu đặt ở đầu dưới của trục thì máy thuộc kiểu dù.

Ở máy turbine nước kiểu treo, xà đỡ trên tựa vào thân máy, do đó tương đối dài

và rất khoẻ vì nó chịu toàn bộ trọng lượng của R oto máy phát, Roto Tur bine nước

và xung lực của nước đi vào Turbine. Như vậy kích thước xà trên đỡ rất lớn, tốn

nhiều thép, đồng thời bản thân máy cũng cao lớn do đó tăng thêm chi phí xây dựng

buồng đặt máy. Ở các máy phát Turbine nước kiểu dù, ổ đỡ trục trên xà dưới.

Xà đỡ dưới được cố định trên nền gian máy, do đó ngắn hơn và ở một số máy, ổ

trục đỡ đặt ngay trên nắp của Turbine nước. Trong cả hai trường hợp đều giảm được

vật liệu chế tạo (có thể đến vài trăm tấn đối với các máy lớn) và khiến cho bản thân




máy và buồng đặt máy đều thấp hơn trên cùng trục với máy phát Turbine thường có

đặt thêm các máy phụ, máy kích thích, để cung cấp dòng một chiều cho cực từ của

máy phát đồng bộ và máy phát điều chỉnh, để làm nguồn cung cấp điện cho bộ điều

chỉnh tự động của Turbine.

1.2. Tổng quan về nhà máy thuỷ điện.

1.2.1. Tình hình phát triển thuỷ điện.

Trong nhiều nước trên thế giới thuỷ điện chiếm tỉ lệ tương đối lớn 25%. Giá

thành sản suất điện năng bằng thuỷ năng rất rẻ so với nhiệt điện do sử dụng nguồn

năng lượng tái sinh ít ảnh hưởng xấu đến môi trường. Chính vì vậy ngành thuỷ điện

trên thế giới rất phát triển cả về số lượng lẫn chất lượng. Công suất lớn nhất của một

tổ máy thuỷ điện là 750w, hiệu suất tổ máy là 92% - 96%. Công trình có công suất

lớn nhất trên thế giới hiện nay là công trình Tam Hiệp (Trung Quốc) N =

18200MW. Các nước Mỹ, Nga, Pháp, Canada, Nhật Bản, Trung Quốc là nhhững

nước có trữ lượng thuỷ điện lớn và có nền thuỷ điện phát trển.

Việt nam có 124 hệ thống song với 2860 con sông có chiều dài lớn hơn 10kmvới trữ lượng thuỷ năng trên lý thuyết là 271.3 tỷ KWh/năm và trữ năng kỹ thuật

khoảng 90 tỷ KWh/năm.

Hiện nay chúng ta chỉ khai thác 20% trữ lượng dồi dào này. Hiện nay có các nhà

máy thuỷ điện Thác Bà công suất 108 MW, Hoà Bình 1920MW, Yaly 720 MW, Trị

An 400MW, Thác Mơ 150 MW, ĐaMi 175MW, Hàm Thuận 300MW, Vĩnh Sơn

66MW, Sông Hinh 70 MW. Nước ta hiện nay thuỷ điện chiếm 60% công suất của

hệ thống điện Việt nam, vào những đầu thập niên 21 khi nhu cầu phát triển kinh tế

tăng cao đòi hỏi nhiều nguồn năng lượng điện thì thuỷ điện là nguồn năng lượng rẻ

tiền nhất cần phải khai thác triệt để nhất khi nguồn than nước ta không nhiều mà chi

phí sản suất nhiệt điện lại lớn hơn nhiều so với thuỷ điện. Không những công trình

thuỷ điện đóng vai trò quan trọng trong công việc cung cấp năng lượng mà còn là

công trình thuỷ lợi tổng hợp và tránh thiên tai. Lợi ích trong phòng chống lũ ở các

công trình thuỷ điện trên các hệ thống sông như sông Đà là vô cùng lớn. Sông Đà




cho sản lượng khoảng 31 tỷ KWh và đảm bảo an toàn cho Hà Nội và cho các vùng

đồng bằng Bắc bộ. Ước tính khi mức lũ ở Hà nội vượt quá 13,3 m nếu dùng biện

pháp phân lũ và cấp nước cho hạ du sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao và là mục tiêu

quan trọng để xây dựng đất nước.

1.2.2. Nguyên lý hoạt động chung của nhà máy thuỷ điện

Nhà máy thuỷ điện là công trình thuỷ điện phát ra năng lượng điện dựa trên

nguồn năng lượng cơ năng của dòng nước.

Nhà máy thuỷ điện hoạt động dựa trên nguyên lý rất đơn giản nước trên các

sông, các suối chảy từ nguồn ra biển, đi từ cao đến thấp mang theo một nguồn năng

lượng. Để tập trung nguồn năng lượng người ta dùng hệ thống đập tạo nên cột cao

áp tức là độ chênh cột áp trước đập và sau đập. Đập có hồ nước lớn để điều tiết lưu

lượng lòng sông. Do đó nước sẽ chảy từ thượng lưu (trước đập) về hạ lưu (sau đập)

rồi chảy vào buồng dẫn Turbine. Nước được buồng dẫn đưa đến bánh xe công tác.

Do tác dụng của áp lực nước lên cánh bánh xe công tác làm cho trục Turbine quay.

Trục Turbine nối liền với trục Roto máy phát làm trục Roto quay. Roto được cungcấp nguồn tự kích ban đầu nên có dòng điện chạy qua sẽ cảm ứng sang Stato sẽ phát

điện cung cấp điện tới các trạm phân phối điện thông quan hệ thống máy biến áp.

Nguồn điện năng này sẽ từ trạm phân phối được đưa đi khắp cả nước thông qua các

hệ thống đường dây.

1.2.3. Phân loại nhà máy thuỷ điện

Tuỳ thuộc và vị trí địa lý mà nhà máy thuỷ điện được phân thành ba loại cơ bản:

1.2.3.1. Nhà máy thuỷ điện ngang đập

Nhà máy thuỷ điện ngang đập là một phần công trình dâng nước, chịu áp lực

nước thượng lưu, đồng thời cũng là công trình lấy nước nối trực tiếp với Turbi ne.

Cửa lấy nước cũng là thành phần cấu tạo của bản thân nhà máy. Do bản thân nhà

máy nằm trong lòng sông nên loại nhà máy này gọi là nhà máy kiểu lòng sông. Với




đặc điểm trên kết cấu của nhà máy ngang đập có công suất lớn, trung bình thường

lắp Turbine cánh quay trục đứng hoặc Turbine cánh quạt với cột nước < 20m.

Những tổ máy có đườ ng kính bánh xe công tác d1 = 10 – 10.5m, công suất tổ máy

từ 120 – 150 MW, lưu lượng nước qua Turbine từ 650 – 700m3/s. Do lưu lượng

nước qua Turbine lớn lên kích thước buồng xoắn và ống hút cũng phải lớn, người ta

thường bố trí khoảng trống trong ống loe buồng hút để bố trí các phòng phụ.

Nhà máy này thường bố trí phần điện ở hạ lưu còn phần thượng lưu thì thường

bố trí đường ống dầu, nước và khí nén.

Một đặc điểm quan trọng đối với nhà máy thuỷ điện ngang đập là về mùa lũ cột

nước công tác giảm, dẫn đến công suất giảm, trong một số trường hợp nhà máy có

thể ngừng làm việc. Để tăng công suất nhà máy trong thời kỳ lũ đồng thời giảm đập

tràn, hiện nay trên thế giới người ta thiết kế nhà máy thuỷ điện ngang đập kết hợp

với hệ thống xả lũ.

Phần qua nước của tổ máy bao gồm: Công trình lấy nước, buồng xoắn và ống

hút cong. Đối với trạm thuỷ điện ngang đập cột nước thấp, lưu lượng lớn, chiều dài

đoạn tổ máy thường xác định theo kích thước bao ngoài buồng xoắn và ống hút.Mặt nằm ngang chiều rộng cửa lấy nước bằng chiều rộng mặt cắt cửa vào buồng

xoắn và kích thước của nó phù hợp với điều kiện lưu tốc cho phép qua lưới chắn

rác. Chiều ngang đoạn tổ máy và chiều dòng chảy phần dưới nước của nhà máy phụ

thuộc vào kích thước cửa lấy nước, buồng xoắn Turbine chiều dài ống hút, đồng

thời với việc tính toán ổn định nhà máy và ứng suất nền có quan hệ với kích thước

phần dưới của nhà máy.

1.2.3.2 Nhà máy thuỷ điện sau đập

Nhà máy được bố trí ngay sau đập nước. Khi cột nước cao hơn 30 – 45m thì bản

thân nhà máy vì lý do ổn định công trình nên không thể là một thành phần của công

trình dâng nước ngay cả khi trong trường hợp tổ máy công suất lớn. Nếu đập dâng

nước là đập bêtông trọng lực thì cửa lấy nước và đường dẫn nước Turbine được bố

trí trong thân đập bê tông, đôi khi đường dẫn ống nước Turbine được bố trí ở phía




hạ lưu của đập. Tuỳ vào cột nước công tác mà nhà máy thuỷ điện sau đập thường

dùng Turbine tâm trục, Turbine cánh quay cột nước cao hay Turbine cánh chéo.

Nhà máy loại này phần điện được bố trí phía thượng lưu sau đập trước nhà máy còn

phía hạ lưu được bố trí hệ thống dầu và nước.

1.2.3.3. Nhà máy thuỷ điện đường dẫn

Trong sơ đồ khi khai thác thuỷ năng kiểu đường dẫn hoặc kết hợp nhà máy

thuỷ điện đứng riêng tách biệt khỏi công trình đầu mối. Cửa lấy nước đặt cách xa

nhà máy. Trong trường hợp công trình lấy nước là không áp thì cửa lấy nước nằm

trong thành phần của bể áp lực. Trong trường hợp công trình lấy nước là hầm có áp

thì cửa lấy nước được bố trí ở đầu đường hầm và là công trình độc lập. Đường dẫn

nước vào nhà máy thường là đường ống áp lực nhưng trong trường hợp trạm thuỷ

điện đường dẫn cột nước thấp với đường dẫn là kênh dẫn thì có thể bố trí máy thuỷ

điện kiểu ngang đập.

Cả hai loại máy đường dẫn và sau đập đều sử dụng đường dẫn ống nước vào

Turbine nên không chịu áp lực trực tiếp từ phía thượng lưu, do đó kết cấu phần dướinước và biện pháp chống thấm đỡ phức tạp hơn. Nhà máy thường dùng với cột

nước từ 30 – 45m < H < 250 – 300m.

Ngoài cách phân loại cơ bản trên nhà máy thuỷ điện còn được phân loại theo vị

trí tương đối của bản thân nhà máy trong bố trí tổng thể.

+ Nhà máy thuỷ điện trên mặt đất.

+ Nhà máy thuỷ điện ngầm được bố trí hoàn toàn trong lòng đất.

+ Nhà máy thuỷ điện trong thân đập.

Ngoài ra nhà máy thuỷ điện còn nhiều kết cấu đặc biệt khác như kết hợp xả lũ

dưới đáy hoặc trong thân đập tràn, trong trụ pin, nhà máy thuỷ điện ngang đập với

Turbine capxul, nhà máy điện thủy triều. Các loại nhà máy này là các nhà máy thuỷ

điện đặc biệt.

Về công suất nhà máy phân chia theo công suất lắp mới, cách phân loại này phụ

thuộc tổng quốc gia. Ở Việt nam sự phân loại theo tiêu chuẩn.




tốc độ quay của máy phát và bằng tốc độ quay đồng bộ. Ngoài hai bộ phận chủ yếu

là Rotor và Stator máy phát còn hệ thống khác như hệ thống kích từ, hệ thống làm

mát máy, hệ thống bảo vệ, hệ thống phanh hãm tổ máy.

+ Hệ thống kích từ máy phát: Một mặt cung cấp dòng kích từ cho máy phát,

mặt khác nó còn là hệ thống điều chỉnh điện áp đầu ra máy phát cung cấp lưới điện

nguồn điện áp ổn định khi tải thay đổi.

+ Hệ thống phanh hãm tổ máy: Để giảm bớt thời gian máy phát đang quay

với tốc độ nhỏ, khi có độ dày màn bôi trơn trong các ổ trục giảm đi đáng kể gây

nguy hại cho trục và ổ trục cần phải có hệ thống phanh tổ máy. Hệ thống phanh sử

dụng là các kích sử dụng khí nén áp suất 0,6 – 0,8 MP có gối đệm áp sát guốc

phanh dưới đáy Roto. Quá trình phanh hãm khi tốc độ Roto còn khoảng 25% - 30%

tốc độ định mức.

+ Hệ thống làm mát: K hi làm việc với lõi sắt từ các cuộn dây điện đều sản

sinh ra một lượng nhiệt lớn. Thông thường sử dụng các cánh quạt gắn bên trên và

bên dưới Rotor , khi Rotor quay các cánh này tạo ra những chiếc quạt để quạt gió

qua các rãnh làm mát của Rotor và Stator máy phát, gió được đẩy từ trong ra ngoài. + Hệ thống đo lường bảo vệ: Hệ thống này cung cấp những thông tin về tình

trạng làm việc không bình thường của máy phát và tự động hoàn toàn việc dừng

khẩn cấp khi các thông số kỹ thuật vượt quá giá trị giới hạn. Hệ thống này bao gồm

các mạch bảo vệ bằng tín hiệu (âm thanh, ánh sáng). Hệ thống cảnh báo sẽ làm việc

khi có sự sai lệch so với chế độ làm việc bình thường của một bộ phận nào đó của

tổ máy, còn tải sự cố chỉ trong trường hợp các chỉ số kỹ thuật vượt quá giá trị giới

hạn.

1.2.4.3. Các thiết bị cơ khí trong nhà máy thuỷ điện

a. Cửa van trên thành ống dẫn T urbine

Các trạm thuỷ điện cột nước cao, cửa van trước buồng xoắn có công dụng tránh

cho cánh hướng nước phải chịu áp lực nước khi ngừng làm việc, giảm tổn thất rò rỉ

qua cánh hướng nước và cơ bản bảo vệ cho cánh hướng nước khỏi bị phá huỷ do




hiện tượng khí thực khi nước rò rỉ qua chúng với lưu tốc lớn. Khi bố trí cửa van

trước buồng xoắn nó còn bảo vệ cho các tổ máy khỏi bị quay lồng khi các hệ thống

điều khiển ngừng làm việc. Đối với các trạm có phương thức cấp nước độc lập, cửa

van được bố trí dưới buồng xoắn tất cả các trường hợp với cột nước hơn 300m, hoặc

đường ống r ìa trên 300- 400m. Đối với các trạm thuỷ điện cấp nước theo nhóm với

ống dẫn nước chung cho một số tổ máy thì cửa van được bố trí trên tất cả các ống

riêng rẽ.

Van đĩa được áp dụng cho tất cả các đường ống có đường kính từ 0.5 – 8.5m,

với các đường kính nhỏ thì sử dụng cho các cột nước đến 600m. Đường kính ống

lớn hơn 4m thì áp dụng cho cột nước dưới 170 – 230m.

b. Cửa van cửa ra ống hút

Cửa van cửa ra ống hút với mục đích sửa chữa Turbine, khi đó cần phải đóng

cửa van này để bơm cạn nước buồng xoắn và ống hút. Cửa van này là cửa van trượt,

phẳng, một tầng, nhiều tầng. Nó được để ở cửa ra, giữa hoặc đầu đoạn loe ống hút.

Việc đóng mở van này có thể được bố trí cầu trục phía trên ống hút, thường là

kiểu trục kiểu chân rê hoặc tời di động trên dầm cố định. c. Thiết bị nâng chuyển

Thiết bị nâng chuyển chính trong nhà máy thuỷ điện là cầu phục vụ cho việc lắp

r áp và sửa chữa tổ máy.

1.2.4.4.Thiết bị điện

Thiết bị điện của trạm thuỷ điện bao gồm: dây dẫn điện từ máy phát, máy biến

áp chính, trạm phân phối điện, hệ thống điện tự dùng, hệ thống đo lường và kiểm tra

và điều khiển, thiết bị điều trung tâm.

a. Máy biến áp chính

Nhằm nâng cao điện áp tải điện đi xa. Phụ thuộc vào trạm thuỷ điện cung cấp

mà điện áp cao thế máy biến áp có thể là 35, 110, 220, 500kV hoặc cao hơn. Máy

biến áp chính về nguyên tắc được bố trí ngoài trời, chúng đòi hỏi việc làm mát bằng

không khí hoặc bằng nước.




Hệ thống nén khí trong nhà máy chủ yếu để điều khiển tổ máy, hãm máy khi cắt

tải phục vụ cho việc điều khiển, kiểm tra đo lường, dùng khí nén khi tổ máy làm

việc ở chế độ bù đồng bộ và độ cao hút ẩm.

Hệ thống khí nén của trạm bao gồm: máy nén khí, bình chứa khí, các đường ống

dẫn chính, các đường phụ dẫn đến các thiết bị.

d. Hệ thống tháo nước ở các tổ máy.

Khi kiểm tra, sửa chữa ống hút, buồng xoắn cần phải tháo cạn lượng nước có

trong đó. Trạm thuỷ điện hệ thống này phải bố trí hệ thống tháo nước và tập tr ung

nước. Lưu lượng nước trong buồng xoắn và ống hút thường từ 8- 10 ngàn m3 . Khi

độ cao hút dương và mực nước thấp, buồng xoắn đặt cao hơn mức nước hạ lưu thì

dùng phương pháp tự tháo, phần nước còn lại dùng máy bơm bơm xuống hạ lưu.

e. Hệ thống tiêu nước.

Hệ thống tiêu nước ở các trạm thuỷ điện chủ yếu giải quyết vấn đề thấm nước

qua bê tông, nền móng và khớp nối. Nó gồm các đường ống hoặc rãnh tiêu đặt ở

cao trình rất thấp. Nước sẽ bơm ra khỏi nhà máy bằng máy bơm tự đóng mở tự

động bằng rơle phao.

1.2.5. Hệ điều khiển công suất nhà máy thuỷ điện.

1.2.5.1. Hệ điều chỉnh công suất tác dụng nhà máy thuỷ điện.

Điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát chính là điều chỉnh lượng công suất

điện tử của máy phát điện phát vào lưới.Công suất điện từ của máy phát cực lồi

được biểu thị bằng công thức sau:

2sin)(2

sin2

0

qd

qd d

dt x x x x

mU

x

mUE P (1-1)

Trong đó:

m: số pha của máy phát.

U: điện áp đầu cực máy phát.

E0: Sức điện động cửa máy phát khi không tải.

xd, xq: điện kháng đồng bộ dọc trục và ngang trục của máy phát.




: góc lệch pha giữa U và E0 còn gọi là góc tải.

Máy phát điện nhà máy thuỷ điện Thác Bà là loại máy phát cực ẩn, vì vậy x d =

xq . Do đó công suất điện từ:

sin0

d

dt x

mUE P (1-2)

Giả thiết có dòng điện kích từ Ilk = const, khi đó ta có sức từ động là hằng số, do

đó sức điện động E0 = hằng số. Vì dung lượng của hệ thống điện là vô cùng lớn so

với máy phát nên ta có thể coi điện áp và tần số là không đổi. Như vậy ta thấy rằng

công suất điện từ chỉ phục thuộc vào góc lệch qua pha .

Ta có: Pdt = f( ) gọi là đặc tính công suất của máy phát.

Góc có ba ý nghĩa quan trọng:

là góc lệch pha về thời gian giữa E0 và U.

là góc lệch pha về không gian giữa sức từ động tổng sinh ra U và sức từ động

F0 sinh ra E0.

là góc độ điện giữa trục cực từ và trục sức điện động tổng.

Quá trình điều chỉnh là khi ta tăng công suất cơ đưa vào máy tức là đưa lưulượng nước vào Turbine, khi đó mô men quay M1 của máy phát tăng lên làm cho

Roto của máy phát quay nhanh lên, do đó góc lệch pha lớn lên làm cho mômen

điện từ Mdt tăng lên cho đến khi Mdt = M1, tốc độ của Roto được giữ đồng bộ quá

trình cân bằng mới được thiết lập, nhờ sự thay đổi của góc mà trạng thái cân bằng

này có tính chất ổn định tĩnh.

Từ đó ta có một số nhận xét sau:

-

Muốn điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát điện ta chỉ việc điều chỉnh

công suất cơ đưa vào máy khi đó máy phát sẽ tự động điều chỉnh góc để

thay đổi công suất điện từ nghĩa là thay đổi công suất tác dụng phát ra của

máy phát cho đến một trị số cân bằng mới.

- Nếu tiếp tục tăng công suất cơ đến góc >900 thì khi đó Pdt sẽ giảm đi, do đó

khôngđảm bảo sự cân bằng về công suất. Công suất thừa sẽ kéo theo Rotor




quanh nhanh lên ta gọi đó là máy phát bị mất đồng bộ hay máy phát bị mất

ổn định tĩnh.

Khu vực 0 < < 900 là khu vực vận hành ổn định.

Khu vực2

< là khu vực vận hành mất ổn định.

Ta lại có công suất của Turbine được xác định qua cột nước và lưu lượng

qua Turbine với công thức: N = 9,81QH (1-3)

Như vậy điều chỉnh công suất tác dụng của máy phát chính là điều chỉnh

tần số của máy phát. Khi tải tăng để tần số ổn định thì khi đó hệ thống điện sẽ

phải tăng công suất tác dụng tức là tăng lưu lượng nước chảy vào Turbine.

Đối với hệ thống chỉ có một tổ máy phát hoạt động độc lập thì đặc tính

điều chỉnh là một đường nằm ngang.

PP4P3P2P1

n

ndm

Hình 1-1 Đồ thị đặc tính một máy hoạt động.

Bộ điều tốc có đặc tính điều chỉnh như vậy là bộ điều tốc có phản hồi mềm. Sai

lệch tĩnh của hệ bằng không. Như vậy với bộ điều tốc này sẽ nhận bất giá trị của tải

đều đảm bảo tần số ổn định. Tuy nhiên với hệ thống gồm nhiều tổ máy hoạt động

song song thì đặc tính này vô hướng. Vì khi đó tần số sẽ không phụ thuộc vào tải.




Như vậy bộ điều tốc không thể làm nhiệm vụ phân phối phụ tải cho các tổ máy làm

việc song song.

Trong thực tế đối với hệ thống làm việc với nhiều tổ máy thì các đường đặc

tính trong tổ máy là những đường dốc (có sai lệch tĩnh) bởi khi đó các tổ máy sẽ

làm nhiệm vụ phân phối phụ tải.

Để làm rõ hơn quá trình phân phối phụ tải của các tổ máy. Ta xét hệ thống gồm

hai tổ máy có công suất như nhau, hoạt động song song nhận phân phối 100% phụ

tải.

PP1P2P

b2

ndm

b1

n0

n

Hình 1-2 Đồ thị đặc tính hai máy hoạt động song song.

Tổ máy 1 nhận được phụ tải là P1, tổ máy 2 nhận được phụ tải là P2 . Ta nhận

thấy đường đặc tính b2 dốc hơn b1 và P1 > P2, điều đó chứng tỏ đường đặc tính

càng dốc nhận phân phối tải bé hơn. Như vậy ta có biểu đồ phân phối phụ tải.




CK1

50%

MF1

Rp1

MC1

BA1

MC1 MC2

BA2

MC2

Rp2

MF2

30%

CK2

MC3

BA3

MC3

Rp3

MF3

20%

CK3

Hình 1-3 Biểu đồ phân bố phụ tải các tổ máy

1.2.5.2. Hệ điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện.

Điều chỉnh công suất phản kháng nhà máy thuỷ điện chính là điều chỉnh giá trị

điện áp ra máy phát.

Công suất biểu diễn của máy phát biểu diễn bởi công thức:

Q =d d

qd

qd d x

mU

x

mUE x x

x x

mU

x

mUE 2cos)(

2

2cos 00

(1-4)

Coi tốc độ quay của Tur bine là không đổi, lưu lượng chảy vào của Turbine là

không đổi vì vậy công suất cơ phát ra của Turbine không đổi chính vì vậy không

đổi, điện áp U phát ra ổn định không đổi. Như vậy quá trình điều chỉnh công suất




phản kháng máy phát chính là quá trình thay đổi E0 chính là quá trình thay đổi giá

trị dòng kích từ máy phát.

Khi tăng Ikt lên sẽ làm cho E0 tăng khi đó Q sẽ tăng.

Khi giảm Ikt xuống thì sẽ làm cho E0 giảm khi đó Q sẽ giảm.

Ta có đồ thị phản kháng điều chỉnh công suất phản kháng:

U1

U

Q1 Q2 Q

U2

U10

U20

Ikt2

Ikt1

Hình 1-4 Đồ thị đặc tính công suất phản kháng .

Như vậy khi phát ra càng lớn công suất phản kháng thì U càng giảm muốn ổn

định điện áp U thì khi đó bộ điều chỉnh hệ thống kích thích sẽ tác động làm tăng

dòng kích từ (Ikt1 đến Ikt2).

Trong các tổ máy phát ra công suất S = P + iQ không đổi vì vậy tổ máy nào

càng phát ra nhiều công suất tác dụng P thì phát ra càng ít công suất phản kháng.




CHƢƠNG II: CẤU TRÚC VÀ HỆ ĐIỀU CHỈNH TUR BINE

2.1. Khái niệm cơ bản.

Turbine là dụng cụ biến năng lượng dòng chảy của nước thành năng lượng

quay cơ học. Do đó Tur bine không những quyết định đến chất lượng điện mà còn

ảnh hưởng đến kết cấu nhà máy của trạm thuỷ điện. Đặc biệt trong một vài bộ phận

của Turbine như buồng dẫn và ống thoát nước thường có kích thước rất lớn, nó ảnh

hưởng quyết định rất lớn đến kích thước và bộ phận dưới của nhà máy thuỷ điện.

Hình 2-1 Mặt bằng cắt dọc Turbine nước.

Nước từ ống áp lực chảy qua buồng dẫn Turbine 4 sau đó đi qua bộ phận hướng

nước 2 rồi vào buồng bánh xe công tác cuối dùng theo ống hút 13 xuống hạ lưu củanhà máy. Trong quá trình đó dòng chảy qua bánh xe công tác tạo ra lực tác động lên

bánh xe công tác sinh ra mô men quay làm quay Turbine máy phát. Turbine quay

làm quay máy phát sinh ra nguồn điện cấp ra bên ngoài.

Trục Turbine có hai đầu, đầu dưới có bích nối với vành trên của bánh xe công

tác còn đầu trên cũng có bích nối với Rotor của máy phát điện. Stator của máy phát

điện được tì lên khối bê tông lớn của nhà máy.




Toàn bộ phần quay của tổ máy phát điện thuỷ lực bao gồm bánh xe công tác,

trục và Rotor của máy phát điện có một hệ thống ổ trục gồm: Ổ trục hướng và ổ trục

chặn không cho chuyển vị theo phương thẳng đứng. Tải trọng đè lên ổ trục chặn (ở

tổ máy trục đứng) gồm có trọng lượng phần quay của tổ máy và áp lực nước dọc

trục tác dụng lên bánh xe công tác. Ổ trục chặn thường bố trí trên nắp Turbine còn ở

các tổ máy nằm ngang tải trọng đó chỉ do áp lực nước.

2.2. Phân loại các loại Turbine.

Ta xét phân loại Turbine theo dạng năng lượng của dòng chảy qua bánh xe công

tác. Năng lượng dòng chảy truyền qua bánh xe công tác Turbine bằng độ chênh lêch

giữa hai thiết diện ở trên thượng lưu và hạ lưu.

g

V V P P Z Z H

2)(

2

22

2

112121

(2-1)

Trong đó: Z1: Cột nước phía tiết diện vào Turbine.

Z2 : Cột nước phía tiết diện ra của Turbine.

P1 : Á p suất tiết diện vào Turbine.P2 : Á p suất tiết diện ra Turbine.

V1 : Vận tốc tại tiết diện vào Turbine.

V2 : Vận tốc tại tiết diện ra Turbine.

Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng này người ta chia Turbine thành hai loại

Turbine phản lực và Turbine xung lực.

Trong Turbine xung lực, chỉ có động năng của dòng chảy tác dụng lên bánh xe

công tác còn thế năng bằng không. Hệ Turbine này chỉ phát ra công suất nhờ động

năng của dòng chảy, còn áp suất cửa ra và cửa vào của Turbine bằng áp suất khí

trời.

Turbine phản lực làm việc nhờ cả hai phần động năng và thế năng, mà chủ yếu

là thế năng của dòng chảy. Trong Turbine này áp suất tại cửa lớn và cửa ra, trong

bánh xe công tác dòng chảy biến đổi cả về thế năng và động năng. Trong đó vận tốc

dòng chảy chảy qua Turbine tăng dần còn áp suất thì giảm dần. Máng dẫn của cánh




hình cô nên gây ra độ chênh áp giữa mặt cánh từ đó tạo ra mô men quay. Turbine

phản lực dùng cho trạm có mức nước thấp còn Turbine xung lực dùng cho trạm

mức nước cao và lưu lượng nhỏ.

2.2.1. Turbine phản kích.

Là loại Turbine được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm cột nước từ 1,5 đến 600 m.

Turbine phản kích bao gồm hệ Turbine tâm trục, cánh quay và các hệ Turbine mới:

cánh chéo, cánh kép và capxun. Nhìn chung loại Turbine này sử dụng một phần thế

năng và một phần động năng của dòng nước. Bánh xe công tác của Turbine phản

kích làm việc trong môi trường chất lỏng liên tục và áp lực nước ở trước bánh xe

công tác thường lớn hơn rất nhiều so với sau nó. Khi chảy qua kênh tạo bởi mặt

cong của các dòng nước sẽ thay đổi hướng lên nó và làm quay bánh xe công tác.

Phụ thuộc hướng dòng chảy tác động lên nó mà người ta chia Turbine phản lực

thành nhiều loại: Turbine hướng trục, Turbine tâm trục, Turbine hướng chéo.

2.2.2. Turbine hƣớng trục.

Hình 2-2 Cấu trúc turbine hướng trục




Có vành dưới nên nó chịu tác dụng lực kiểu dầm côngxôn tại nơi tiế p giáp cánh

và bầu. Là loại Turbine trong đó hướng chuyển động của dòng chảy trong phạm vi

bánh xe công tác song song với trục quay của Turbine.

Turbine hướng trục có thể là loại cánh cố định hoặc là loại cánh điều chỉnh bánh

xe công tác gồm nhiều cánh được gắn với bầu. Nếu cánh được gắn chặt bầu thì gọi

là Turbine hướng trục cánh cố định. Nếu cánh có thể quay quanh trục thì gọi là

Turbine hướng trục cánh điều chỉnh. Cánh có hình không gian cong có số cánh từ 3

đến 9. Loại Turbine này làm việc với cột nước 1,5 đến 40m. Turbine hướng trục

cánh cố định thường được dùng cho các trạm thuỷ điện vừa và nhỏ. Turbine hướng

trục có cánh điều chỉnh dùng cho các trạm thuỷ điện lớn. Turbine hướng trục cánh

điều chỉnh có hiệu suất cao hơn trong phạm vi điều chỉnh rộng. Tuy nhiên các loại

cánh điều chỉnh phức tạp và cơ chế điều chỉnh nằm trong bầu bánh công tác. Nhà

máy thuỷ điện Thác Bà sử dụng loại Turbine này với cánh có điều chỉnh công suất

40KW.

2.2.3. Turbine tâm trục.

Hình 2-3 Cấu trúc turbine tâm trục




Trong Turbine tâm trục hướng dòng chảy của vùng bánh xe công tác ban đầu

theo hướng tâm, sau đó chuyển sang phương song song với trục.

Turbine này được gọi là Turbine Franxic. Nó được sử dụng rộng rãi trong phạm

vi cột nước cao H = 30-600m. Đối với trạm nhỏ Turbine này có thể làm ở cột nước

H > 4m.

Bánh xe công tác loại này thường rất khác so với bánh xe của loại T urbine

hướng trục. Bánh xe công tác gồm có hệ thống gắn chặt với hai vành đĩa trên dưới

tạo thành khối cứng. Cánh có dạng cong không gian có số cánh từ 12 đến 22 cánh.

Turbine tâm trục có hiệu suất cao nhưng cánh cố định nên chỉ thích hợp với trạm có

cột nước ít thay đổi. Ở nước ta nhà máy thuỷ điện Trị An, Hoà bình, Yaly, Thác Mơ

dùng Turbine tâm trục cỡ lớn và trung bình. Còn các trạm Tasa, Na ngần, Suối củn

dùng các Turbine tâm trục cỡ nhỏ.

2.2.4. Turbine hƣớng chéo.

Hình 2 -4 Cấu trúc turbine hướng chéo

Để kết hợp với ưu điểm của hai loại Turbine hướng chéo. Dòng chảy chạy vùng

bánh xe công tác có hướng tạo với trục quay một góc nào đó. Bầu cánh hình nón

chứa toàn bộ cơ cấu điều chỉnh như Turbine hướng trục có cánh điều chỉnh.




Loại Turbine này làm việc với cột nước H = 30 – 150m. Nó có thể là Turbine

điều chỉnh cánh nên phạm vi điều chỉnh công suất hiệu suất cao tương đối rộng so

với Turbine tâm trục.

2.2.5. Turbine xung lực

Turbine xung lực có các bộ phận chính vòi phun điều chỉnh lưu lượng, bánh xe

công tác, vỏ, trục, bộ phận cắt dòng. Đặc điểm chung của Turbine xung kích là

dòng chảy khi ra khỏi vòi phun tác động vào cánh bánh xe công tác ở dạng tia tự do

trong môi trường áp lực không khí, chỉ cần sử dụng một phần động năng v2/2g và

chỉ có một số bánh xe công tác đồng thời chịu tác động của tia nước, mặt khác bánh

xe công tác bao giờ cũng đặt cao hơn mực nước hạ lưu. Turbine xung kích có ba hệ:

gáo, tia nghiêng và xung kích 2 lần.

2.2.6. Turbine gáo.

Hình 2 -5. Cấu trúc turbine gáo.

Là loại Turbine sử dụng nhiều nhất. Phần dẫn dòng của nó gồm bánh xe công

tác và vòi phun. Bánh xe công tác gồm nhiều cánh hình gáo được gắn liền lên trên

bầu đĩa bánh công tác. Bánh công tác gắn liền trên trục Turbine, trục này gắn với

máy phát. Thông thường Turbine gáo đặt ngang chỉ có một số Turbine cỡ lớn đặt

thẳng đứng. Vòi phun gồm có các ống hình côn nối với ống dẫn, trong ống dẫn hình

côn có điều chỉnh lưu lượng ra. Dòng chảy theo ống dẫn vào vòi phun, từ đó dòng




chảy ra khỏi vòi phun với vận tốc đủ lớn tác động lên các cánh gáo tạo ra môme

quay. Ngoài ra vòi phun còn làm nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng qua bánh xe công

tác.

Turbine gáo làm việc với cột nước H =40 – 3000m và lớn hơn. Trạm thuỷ điện

Đa nhim dùng Turbine gáo có công suất tổ máy là N = 40MW.

2.2.7. Turbine tia nghiêng.

Turbine này khác Turbine gáo là dòng chảy từ vòi phun vào bánh xe công tác

dưới một góc nghiêng. Bánh xe công tác có hình cong gắn chặt lên hai đĩa bên trái

bánh xe công tác có hình dạng đơn giản hơn Turbine gáo nên dễ chế tạo. Vòi phun

này như của Turbine gáo.

Turbine nghiêng được lắp tại các trạm thuỷ điện nhỏ. Hiệu suất Turbine này nhỏ

hơn Turbine gáo.

2.2.8. Turbine tác dụng kép.

Dòng chảy từ vòi phun tác dụng lên bánh xe công tác hai lần: dòng chảy từngoài vào tâm sau đó lại hướng từ tâm ra ngoài nên gọi là Turbine tác dụng kép.

Vòi phun của Turbine này có dạng tiết diện chữ nhật chứ không phải tiết diện tròn.

Thay đổi lưu lượng nhờ thay đổi tiết diện thành trong vòi phun.

Turbine tác dụng kép được ứng dụng cho các trạm thuỷ điện cỡ nhỏ N = 5 -

100KW.




2.3. Cấu tạo Turbine Kaplan

Là loại Turbine hướng trục cánh quay với bánh xe công tác có thể điều chỉnh

được.

Hình 2 – 6a C ấu tạo của turbine Kaplan.

2.3.1. Buồng turbine

Buồng turbine có tác dụng dẫn nước điều đặn vòng quanh bộ phận hướng nước

của Turbine, gồm các kiểu hở: hở chính diện, xoắn bêtông và xoắn kim loại. Buồng

hở có cấu tạo đơn giản và có đặc tính thuỷ lực tốt hơn các kiểu buồng khác trong

điều kiện cột nước H < 10m và đường kính d1 < 1,6m. Sau khi nước qua buồng

Turbine, nước sẽ chảy đến Stator và bộ phận hướng nước. Đối với Turbine cỡ nhỏ




thì Stato và bộ phận hướng nước là một kết cấu cố định vào bánh xe công t ác. Lúc

đó việc điều chỉnh lưu lượng nhờ van trụ lắp ngoài các cánh hướng cố định.

Hình 2 – 6b. Mô hình turbine Kaplan.

2.3.2. Stato.

Stato Turbine có tác dụng đỡ toàn bộ tải trọng gồm có trọng lượng toàn bộ tổmáy, sàn nhà và bệ máy phát điện, áp lực nước tác dụng lên bánh xe công tác và

khối bê tông phủ lên nó. Có hai kiểu là kiểu cột riêng rẽ và kiểu vòng. Turbine cánh

quay sử dụng Stator kiểu vòng để tăng độ cứng. Stator lực là kết cấu chuẩn được lắp

đặt đầu tiên. Số lượng các cột chống bằng nửa số lượng cánh hướng nước.

2.3.3. Bộ phận hƣớng nƣớc.

Bộ phận hướng dòng có tác dụng: + Hình thành dòng chảy nhất định ở trước bánh xe công tác.

+ Điều chỉnh lưu lượng nước đi qua Turbine do đó thay đổi công suất phát của

Turbine. Bộ phận hướng dòng gồm có hai thành phần chính: Các cánh hướng và cơ

cấu quay cánh hướng. Mỗi cánh hướng có thân và trục cánh, các cánh có thể quay

quanh trục để thay đổi độ mở a0 của bộ phận hướng nước. Độ mở a0 được tính bằng

khoảng cách nhỏ nhất giữa hai cánh kế tiếp nhau.




Vị trí đóng hoàn toàn thì đầu mút các cánh tiếp xúc nhau (a 0 = 0) và nước không

thể đi vào bánh xe công tác. Còn vị trí mở hoàn toàn (a0 = a0max) thì lúc đó lưu

lượng chảy vào bánh xe công tác lớn nhất. Áp lực nước tác dụng lớn nhất lên bộ

phận cánh hướng khi cánh hướng đóng hoàn toàn.

Muốn quay được cánh hướng, cơ cấu quay cánh hướng phải có đủ lực để thắng

được áp lực nước P tác dụng lên cánh hướng và lực ma sát trong chi tiết các bộ

phận cánh hướng. Đồng thời phải đảm bảo khả năng quay các cánh hướng theo trị

số độ mở a0. Hệ thống làm quay cánh hướng phải có lực rất lớn, vì vậy thường dùng

là hệ thống thuỷ lực, cơ cấu điều chỉnh có thể là điện hoặc cơ. Hệ thống thuỷ lực là

cơ cấu pittông xilanh, pittông thông qua hệ thống thanh truyền để nối với vành điều

chỉnh góc mở cánh hướng. Pittông dịch chuyển trong xilanh nhờ quá trình chênh áp

ở hai phía pittông.

2.3.4. Bánh xe công tác Turbine.

Là bộ phận quan trọng nhất làm biến đổi thuỷ năng thành cơ năng.

Cấu trúc của bánh xe công tác gồm có: Bầu, cánh, chap nước và bộ phận cánhquay bánh xe công tác. Tâm của phần cầu trùng với tâm của trục cánh quay. Khi

làm việc cánh quay Turbine hướng trục chịu tác dụng của áp lực nước.

Khác với cánh Turbine tâm trục các cánh ở đây không có mômen uốn lớn nhất.

Áp lực nước tác dụng lên bánh xe công tác có thể đạt tới 240 tấn. Cũng như bộ phận

cánh hướng, phải sử dụng động cơ tiếp lực dầu cao áp mới có thể làm quay được

bánh xe công tác. Động cơ tiếp lực được đặt trong bầu. Bộ phận cánh quay gồm có

trục cánh, động cơ tiếp lực hệ thống thanh truyền nối liền với pittông của động cơ

tiếp lực.

Khác với turbine tâm trục, bánh xe công tác được bố trí thấp hơn bộ phận cánh

hướng và đặt bên trong buồng bánh xe công tác. Đường kính lớn nhất của buồng

được xem như là đường kính tiêu chuẩn của cánh quay. Hình dạng bánh xe công tác




phụ thuộc vào cột nước H. Nếu H lớn số lượng cánh bánh xe công tác sẽ tăng tỷ số

1

2

d

d cũng như độ cao tương đối

1

0

d

b sẽ giảm.

2.3.5.Trục và ổ trục.

Là kết cấu chịu lực chính của Turbine.

Trục Turbine là để truyền mômen xoắn từ bánh xe công tác đế n Rotor của máy

phát điện. Trục Turbine đứng là đoạn hình ống thành mỏng và có bích ở hai đầu.

Phía trong rỗng để lắp ống dẫn dầu hoặc để dẫn khí xuống phía dưới bánh xe công

tác.

Ổ trục hướng có hai loại là ổ trục bôi trơn bằng dầu và ổ trục bôi trơn bằng

nước. Các tấm bạc làm bằng cao su cứng được bôi trơn bằng nước. Đối với ổ trục

bôi trơn bằng dầu thì các tấm bạc làm bằng hợp kim babit.

2.3.6. Bộ phận phụ của Turbine.

Để đảm bảo sự làm việc bình thường của Turbine, phải có các bộ phận phụ bốtrí cạnh tổ máy, đó là: van phá chân không, van xả tải, thiết bị tháo nước rò rỉ, thiết

bị dầu bôi trơn.

2.3.6.1. Van phá chân không.

Khi đóng nhanh bộ phận hướng nước do phụ tải của tổ máy bị cắt đột ngột, áp

suất phía trước bánh xe công tác bị giảm đi rất nhiều làm cho nước từ hạ lưu chảy

ngược lên bánh xe công tác với giá trị rất lớn va đập vào Rotor tổ máy gây hỏng

Turbine và tổ máy phát. Có thể ngăn ngừa hiện tượng trên nhờ đặt trên nắp Turbine

một hay hai van phá chân không, van này có lỗ thông với phía dưới bánh xe công

tác Turbine.




2.3.6.2. Van Turbine.

Van Turbine được bố trí ở ống áp lực và Turbine có tác dụng đóng không cho

nước chảy vào trong Turbine khi có sự cố trong đường dẫn hay tổ máy cũng như khi

sửa chữa chúng. Turbine cỡ lớn dùng các loại van: van đĩa, van cầu, van kim dùng

các trạm có cột nước cao. Van công tác được đóng xuống dòng nước đang chảy với

vận tốc lớn đòi hỏi phải đủ sức nặng, lực đóng phải lớn và luôn ở vị trí sẵn sàng làm

việc. Hệ thống đóng mở là hệ thống thuỷ lực điều khiển tự động từ xa.

2.4. Các thông số đặc tính Turbine.

2.4.1. Cột áp Turbine.

Cột áp Turbine được xác định bằng hiệu năng lượng riêng giữa tiết diện vào của

Turbine và tiết diện ra.

Cột áp Turbine xác định theo công thức:

g

V V P P Z Z H

2

2

22

2

112121

(2-2)

Trong đó: Z1: Cột nước phía tiết diện vào Turbine.

Z2: Cột nước phía tiết diện ra của Turbine

P1: Áp suất tiết diện vào Turbine.

P2: Áp suất tiết diện ra Turbine.

V1: Vận tốc tại tiết diện vào Turbine.

V2: vận tốc tại tiết diện ra Turbine.

2.4.2. Lƣu lƣợng Turbine.

Là lượng nước chảy qua Turbine trong một đơn vị thời gian. Kí hiệu là Q (m 3/s).

Lưu lượng là đại lượng quan trọng làm thay đổi công suất Turbine phù hợp so với

thay đổi của tải.

Khi dòng chảy chảy qua bộ phận cánh hướng và sau đó qua bánh xe công tác , ta

có công thức tính lưu lượng như sau:




2

2

2

01

01

2

2

2

ctg F

U

br

ctg U

U w

gH

Q

tl

(2-3)

Trong đó: tl là hiệu suất thuỷ lực.

U1 là vận tốc theo vận tốc quay tai mép vào bánh xe công tác.

U2 là vận tốc theo vận tốc quay tai mép ra bánh xe công tác.

b0 là chiều cao cánh hướng.

0 là góc quanh cánh hướng.

2 góc đặt bánh quay công tác.

2.4.3. Công suất.

Công suất được xác định theo cột áp và lưu lượng qua Turbine theo công thức:

QH QH

N 81.9102

(2-4)

Công suất hữu ích là công suất trên trục turbine bao giờ cũng nhỏ hơn công suất

vì trong quá trình biến đổi luôn có tổn thất. Công thức xác định:

Nh = N. t (2-5)

2.4.4. Hiệu suất.

Hiệu suất Turbine xác định theo công thức:

t = Nh /(9,81QH) (2-6)

Hiệu suất Turbine là tích ba hiệu suất: t = tl .

0 . ck (2-7)

Trong đó: tl : Hiệu suất thuỷ lực.

0 : Hiệu suất thể tích do tổn thất rò rỉ.

ck : Hiệu suất cơ khí do tổn thất cơ khí.




2.4.5. Đƣờng kính bánh xe công tác và số vòng quay của Turbine.

Kích thước hình học của bánh xe công tác đặc trưng bởi đường kính d1.

Số vòng quay của Turbine thông thường chính là số vòng quay của máy phát . Vì

vậy khi chọn số vòng quay Turbine phải chú ý đến số vòng quay đồng bộ máy phát.

p

f N

60 N (2-8)

Trong đó: p là số đôi cực máy phát.

Hai đại lượng này đặc trưng cho kích thước và cỡ Turbine. Chúng có mối quan

hệ mật thiết với nhau và được xác định bởi cột áp và lưu lượng của Turbine.

Turbine có công suất lớn thì đường kính lớn. Nhưng Turbine có cột càng lớn thì số

vòng quay càng lớn và kích thước càng nhỏ.

2.5. Hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc.

2.5.1. Các yêu cầu với hệ thống điều tốc Turbine.

- Làm việc trong tất cả các chế độ khác nhau của Turbine: Điều chỉnh tần số,

điều chỉnh công suất, điều chỉnh nhóm các tổ máy.

- Đảm bảo công suất phát, hạn chế công suất lớn nhất, công suất nhỏ nhất của

Turbine phù hợp với cột nước và mức nước hạ lưu.

- Cho phép chuyển từ chế độ làm việc này sang chế độ làm việc khác: Tại chỗ

hoặc từ xa.

- Đáp ứng nhanh khi tải đột biến.

- Tự động khởi động hoặc dừng tổ máy trong điều kiện không có dòng xoay

chiều của hệ thống từ dùng làm nhà máy. - Chống luồng tốc: Khi tải bị cắt đột ngột, hệ thống điều chỉnh gặp phải sự cố

khi đó hệ thống dự phòng hoạt động đóng cánh Tur bine và các cửa van trước

Turbine.

- Tự động điều khiển tổ máy ổn định ở các chế độ làm việc: Chạy không tải,

mang tải độc lập và mang tải trên lưới.




Theo công thức (2-3) ta có:

2

2

2

01

01

2

2

2

ctg F

U

br

ctg U

U w

gH

Q

tl

Như vậy lưu lượng thức tế chỉ thay đổi khi ta thay đổi một trong 3 đại lượng b0,

0 , 2

+ Chiều cao cánh hướng b0.

+ Góc ra của cánh hướng0

.

+ Góc ra đặt cánh bánh công tác 2 .

+ Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi b0 có thể thực hiện được bằng vanchóp. Cách điều chỉnh này có thể ứng dụng cho Turbine cỡ nhỏ. Đối với Turbine cỡ

lớn thì điều chỉnh b0 khó khăn phức tạp về mặt kết cấu, gây tổn thất nhiều về thuỷ

lực.

+ Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng được sử dụng

rộng rãi nhất. Đối với 3 loại Tur bine (hướng trục, hướng chéo, tâm trục) người ta

thay đổi lưu lượng bằng cách thay đổi độ mở cánh hướng. Khi góc cánh hướng thay

đổi thì lưu lượng cũng thay đổi.

+ Điều chỉnh lưu lượng bằng cách thay đổi góc bánh quay công tác 2 được ứng

dụng kết hợp với điều chỉnh cánh hướng0

. Turbine hướng trục và Turbine cánh

quay có thể được điều chỉnh kép cùng một lúc thay đổi cả hai đại lượng0

và 2 .

Nhờ điều chỉnh này dòng đi ra khỏi cánh hướng luôn phù hợp với góc nghiêng của

cánh bánh xe công tác. Hiệu suất lớn nhất không thay đổi trong phạm vi lớn khi

thay đổi công suất.

Trong thực tế điều chỉnh Turbine có khi phụ tải tăng thì số vòng quay của máy

phát điện giảm. Ngược lại, giảm phụ tải thì số vòng quay của máy phát điện giảm.

Chính vì vậy cần phải thay đổi góc mở cánh hướng để thay đổi lưu lượng giữ cho số

vòng quay không đổi và tần số luôn ổn định với tần số định mức.




2.5.3. Đặc tính của hệ thống điều chỉnh Turbine.

Xét đặc tính điều chỉnh n = f(P) khi H = const và a = const. (a là góc mở cánh

hướng)

Khi đó đặc tính điều chỉnh là một đường dốc:

PP2P1

a2

a1

a3

n0

n1

n2

n

Hình 2- 7. Đường đặc tính cơ bản của Turbine.

Trên đồ thị ta có chế độ làm việc bình thường thì với tải định mức P1 thì

Turbine quay với vận tốc định mức n1, vận tốc không tải n0 và góc mở cánh hướng

định mức a1. Khi tải tăng đến giá trị P2 sẽ làm cho vận tốc bị giảm xuống n2. Để ổn

định tốc độ khi tăng tải thì ta phải điều chỉnh góc mở cánh hướng tới góc mở a 2.

Như vậy khi tải thay đổi các giá trị P1,P2, P3, P4, P5 thì phải đảm bảo tần số thì góc

mở cánh hướng sẽ phải thay đổi ứng với giá trị a1, a2, a3, a4, a5.Ta có họ các đặc tính:




n

n01

n02

n04

a1

a3

amax

P1 P2 P

n1

n2

ndm

n03

nlt

a4

a2

adm

P3 P4 PmaxPdm

Hình 2-8. Họ các đặc t ính khi a thay đổi.

Trên đồ thị đặc tính điều chỉnh biểu diễn mối quan hệ n = f(P), (H = const).

Thực tế ta thấy đường thẳng n = f(P) là một đường dốc, bởi nếu là đường nằm

ngang (với bộ điều tốc phản hồi mềm) thì nó là đặc tính vô hướng không phụ thuộc

vào tải, như vậy bộ điều tốc không thể làm nhiệm vụ phân bố phụ tải cho các tổ

máy làm việc song song. Tần số làm việc định mức là nđm. Chế độ tải định mức Pđm

khi đó Turbine sẽ quay với tốc độ định mức (nđm) và khi đó hướng cánh quạt mở ở

ađm (như trên hình vẽ). Khi phụ tải thay đổi ứng với giá trị P1, P2, P3, P4, Pmax thì khi

đó tốc độ của Turbine sẽ thay đổi theo đường đặc tính. Như vậy đảm bảo cho tốc độ

quay của Turbine không đổi thì phải tác động mở cánh hướng ứng với góc mở a1,

a2, a3, a4, amax. (amax là góc mở lớn nhất ứng với phụ tải tăng lớn nhất). Như vậy từ

sự thay đổi của phụ tải ta đã xác định được độ mở của cánh hướng để đảm bảo n =

const, H = const.

Từ đó ta xác định được đường đặc tính công tác biểu diễn a = f(P). Ta có đồ thịđặc tính là quỹ tích của các điểm (a1, P1); (a2, P2); (a3, P3); (a4, P4); (a5; P5).

Từ đó ta xây dựng được đồ thị đặc tính điều chỉnh a = f(P) với n = const, H = const.




Pdm PmaxP4P3

adm

a2

a4

PP2P1

amax

a3

a1

a

amin

Hình 2-9. Đặc t ính điều chỉnh turbine máy phát.

Từ đồ thị ta nhận thấy P = 0 th ì độ mở a vẫn khác 0. Bởi vì cần phải có một lưu

lượng không tải Qkt ứng với độ mở cánh hướng nhỏ nhất amin thì mới khắc phục tổn

thất trong Turbine mà chưa phát ra công suất có ích. Từ đồ thị ta thấy a = f(Q) làmột hàm phi tuyến. Như vậy với đối tượng mang phi tuyến khi sử dụng bộ điều

chỉnh truyền thống chất lượng điều chỉnh sẽ không cao.

Xét đặc tính điều chỉnh n= f(P) khi H thay đổi (a = const)

P3

n1

PP2P1

n0

n

H2

H3

H1

Hình 2- 10. Đường đặc t ính cơ với H thay đổi.




Như vậy các đường đặc tính H thay đổi gần giống với các đường đặc tính góc

mở cánh hướng a thay đổi. Khi H càng lớn thì lượng tải phát ra càng lớn hơ n và góc

điều chỉnh mở theo hướng tăng góc a càng bé. Nếu H quá lớn hơ n giá trị cho phép

khi đó phải điều chỉnh đóng cánh hướng nước để giảm bớt lưu lượng nước chảy

vào. Khi H xuống thấp một giá trị Hmin khi đó dùng góc amax thì tôc độ vẫn ở dưới

mức làm việc. Khi đó một số loại Turbine việc điều chỉnh cánh hướng phải kết hợp

với điều chỉnh bánh xe công tác (tăng diện tích tiếp xúc giữa cánh với nước) khi đó

mới đảm bảo tốc độ trở về giá trị định mức.

2.5.4. Phân loại bộ điều tốc.

Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích dưới từng góc độ khác nhau người ta có

nhiều cách khác nhau để phân loại bộ điều tốc.

Nếu xét theo nguyên lý tác động có thể chia bộ điều tốc thành 2 loại sau:

2.5.4.1. Bộ điều tốc t ác động trực tiếp.

Tín hiệu sai lệch qua khuếch đại truyền trực tiếp đến bộ điều chỉnh khôngthông qua một cơ cấu trung gian nào.




DÉn n¦ícvµo Turbine

3

S'

S

2

4

H'

H

1

Hình 2-11. S ơ đồ nguyên lý bộ điều tốc t ác động trực tiếp.




2.5.4.2. Bộ điều tốc gi á n tiếp.

Quá trình truyền tín hiệu đến bộ phần điều chỉnh còn qua một số phần tử

trung gian là tăng độ chính xác và ổn định hệ thống.

1

H

H'

4

2

S

S'

3

DÇu håi

DÇu tõ nguån

§ãng më

DÇu håi

Z

Hình 2-12. S ơ đồ nguyên lý bộ điều tốc t ác động gián tiếp.

- Nếu xét theo đặc điểm sơ đồ điều chỉnh thì bộ điều tốc gồm các loại sau:

+ Bộ điều tốc có phản hồi.

+ Bộ điều tốc không có phản hồi (phản hồi hay còn gọi là mối liên hệngược).

- Nếu xét theo phươ ng pháp điều chỉnh Bộ điều tốc được phân loại như sau:

+ Bộ điều tốc cơ khí.

+ Bộ điều tốc cơ thuỷ lực.

+ Bộ điều tốc điện thuỷ lực.




Trong các loại bộ điều tốc này thì bộ điều tốc điện thuỷ lực hiện nay được dùng

phổ biến hơn cả. Bộ điều tốc thuỷ lực có dạng như hình vẽ sau:

Trong bộ điều tốc turbine thuỷ lực thì cơ cấu chi tiết bên trong được mô hình

hoá như hình 2-14 như sau:

Hình 2.14. Cấu tạo chi tiết bộ điều tốc cơ khí thuỷ lực.

Theo sơ đồ k í hiệu thứ tự sau: 1. Ống cung cấp dầu á p lực.

2. Van tự cho khởi động và ngắt.

3. Bộ chuyển đổi.

4. Bộ điều chỉnh Turbine.

5. Điều khiển Pittông.

6. Van Pilot.

7.

Van phân phối chính.




Bộ điều tốc điện thuỷ lực hiện nay có hai loại cụ thể:

+ Bộ điều tốc có kí hiệu ЭΓР là loại dùng cho điều chỉnh đơ n.

+ Bộ điều tốc có kí hiệu ЭΓРΚ là loại dùng cho điều chỉnh loại tur bine cánh

quay (Turbine KapLan), bộ điều tốc này có tác dụng điều chỉnh k ép.

Đối với loại Turbine cánh quay người ta thường sử dụng bộ điều tốc điều chỉnh

ké p. Sự điều chỉnh k é p ở cánh Turbine có tác dụng điều chỉnh số vòng quay và duy

trì sự liên hệ giữa độ mở cánh hướng và góc quay cánh bánh xe công tác nhằm đạt

hiệu suất cao.

2.5.5. Cấu trúc của hệ thống điều chỉnh Turbine nƣớc.

Turbine trong đó có xảy ra một quá trình điều khiển nào đó được gọi là đối

tượng điều chỉnh. Đại lượng cần giữ ở một mức độ nào đó hay thay đổi theo

chươ ng trình cho tr ước thì gọi là thông số điều chỉnh. Hệ thống điều chỉnh tốc độ

Turbine là tổng hợp các cơ cấu thiết bị, các cơ cấu thiết bị đó có nhiệm vụ cảm ứng

sự thay đổi tốc độ và tác động lên cơ cấu điều chỉnh, cơ cấu điều chỉnh sẽ tác động

lên cơ cấu chấp hành tác động vào đối tượng điều chỉnh nhằm ổn định giá trị tốcđộ theo đại lượng đặt.

Ta có sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh:

CB

(-)

®

PT

QCCCHBK§B§C

NL

Hình 2 – 16. S ơ đồ khối hệ thống điều chỉnh.

CB: Bộ phận đo làm nhiệm vụ nhận các tín hiệu điều chỉnh sau đó đưa về

so sánh tín hiệu đặt để ổn định tín hiệu đó.

BĐC: Làm nhiệm vụ điều chỉnh các đối tượng điều chỉnh nhằm ổn định hệ

thống, đảm bảo chất lượng bộ điều tốc.




BK Đ: Là bộ khuếch đại tín hiệu cần điều chỉnh, trong hệ thống Turbine khi

tác động lên các đối tượng điều chỉnh cần tác động tín hiệu rất lớn. Bộ khuếch đại

làm nhiệm vụ đó.

CCCH: Có nhiệm vụ thay đổi các thông số của Turbine hoặc phụ tải (đó là

những hệ thống cánh hướng Turbine).

Sự điều chỉnh Turbine nước cũng có nhiều điểm k hác so với điều chỉnh các loại

động cơ khác. Một trong những đặc điểm đó là lưu lượng chảy qua cơ cấu điều

chỉnh rất lớn (hàng tr ăm m3/s) nên kích thước cơ cấu điều chỉnh phải rất lớn.

Bộ điều chỉnh cần có lực chuyển dời lớn. Để điều khiển cơ cấu hướng nước của

Turbine cỡ lớn cần có lực tác động hàng tr ăm tấn. Vì vậy sau cơ cấu điều chỉnh cần

có bộ khuếch đại bằng thuỷ lực.

2.5.5.1. Cấu tạo.

+ Cơ cấu đo bao gồm con lắc li tâm, con lắc li tâm quay được nhờ động cơ điện

có mối liên hệ bằng cơ hay điện với trục Turbine. Con lắc li tâm nối với tay đòn

nhờ hộp trục còn đầu kia tay đòn với đầu của van trượt. Khi con lắc quay hai quảvôlăng sẽ văng ra xa sẽ tác dụng một lực lên tay đòn để tác động đến bộ khuếch

đại.

+ Bộ khuếch đại là hệ thống van trượt và động cơ tiếp lực điều đó cho phép

dùng quả vôlăng có khối lượng nhỏ mà độ nhạy khá cao có thể chuyển dời kim lắp

trong van tr ượt đó. Con lắc liên hệ với van trượt qua tay đòn. Chất lỏng có á p (Dầu

có áp) được dẫn vào van tr ượt, van này có nhiệm vụ phân phối đầu vào các ngăn

của động cơ tiếp lực.

Lực tác dộng của động cơ tiếp lực phụ thuộc vào kích thước và á p suất dầu áp

lực. Cấu tạo động cơ tiếp lực bao gồm có một pittông chuyển động trong một xilanh

và pittông này đối với vành điều chỉnh bộ phận hướng dòng qua thanh kéo đẩy. Van

tr ượt với hai thanh ngăn của động cơ tiếp tục nhờ hai ống dầu đặt ở hai đầu của

xilanh. Cấu tạo van trượt gồm có vỏ hình trụ và một kim trượt ở trong đó. Trên

thành vỏ có khoét năm lỗ nhỏ, lỗ ở giữa được thông với dầu có á p, lấy từ thiết bị




dầu có á p tới van trượt qua cửa này. Hai lỗ làm việc thông với hai ngăn tương ứng

của động cơ trợ lực qua hai ống dẫn dầu. Hai lỗ xả dầu tr ên và dưới cùng thông với

các thùng xả dầu. Như vậy khi chuyển dịch dời khỏi vị tr í cân bằng thì dầu á p lực sẽ

đi từ lỗ giữa vào một ngăn nào đó cả động cơ trợ lực, còn dầu áp trong ngăn khác sẽ

đi từ lỗ làm việc tới lỗ xả và trở về thùng xả. Hai phía pittông của động cơ trợ lực có

trênh á p sẽ làm dịch chuyển bộ phận điều chỉnh Turbine.

+ Cơ cấu chấp hành là hệ thống các cánh hướng nước và các cánh quay bánh xe

công tác. Hệ thống cánh hướng và cánh bánh xe công tác có thể thay đổi góc mở

nhờ vành điều chỉnh. Khi vành điều chỉnh quay sẽ làm cho hệ thống cánh hướng

xoay. Mỗi Turbine có một vành điều chỉnh cánh hướng, việc quay vành điều chỉnh

được thực hiện nhờ động cơ trợ lực. Mỗi vành điều chỉnh có hai động cơ trợ lực

gồm có hai pittông liên hệ hai bên vành điều chỉnh nhờ hai thanh truyền. Như vậy

khi hai pittông chuyển động trong xilanh sẽ làm cho vành điều chỉnh quay.

+ Khâu phản hồi và hệ thống phản hồi mềm, nhờ khâu phản hồi mềm mà khi

tải thay đổi bộ điều tốc này sẽ ổn định với số vòng quay bằng số vòng quay định

mức.

2.5.5.2. Nguyên lýđiều chỉnh k ép.

Giả sử khi phụ tải thay đổi cụ thể giảm phụ tải. Khi đó vận tốc tăng con lăng sẽ

quay nhanh và văng ra xa hơn sẽ làm cho pittông của động cơ trợ lực của bộ phận

hướng dòng dịch sang tr ái để đóng bộ phận cánh hướng, vì pittông trợ lực của bộ

phận cánh hướng này có mối liên hệ với đòn làm cho nêm của bộ phận liên hợp sẽ

dịch chuyển sang bên phải dây ròng rọc của thanh đòn (nối với kim van trượt bánh

xe công tác) lên trên làm cho kim tr ượt của bánh xe công tác tr ượt xuống cho dầu áp

lực vào ngăn trên của động cơ trợ lực đẩy pittông của nó đi xuống để quay bánh xe

công tác về phía đóng.




2.5.6.3. Tí nh lực đóng mở c ánh h ướng.

Khi cánh hướng đóng hoàn toàn, ta có:

- Lực tác dụng lên cánh hướng:

F’0 =

0

00

Z

b DH’ (2-20)

Trong đó:

H’: Cột áp khi đóng cánh hướng có tính đến hệ số tăng áp.

H’ = (1+ )Hmax = 1,3 - 1,5 (2-21)

- Mômen tác dụng lên cánh hướng:

M’0 =

00

2

0

0 )( nb Z

DH’ (2-22)

n0 – độ lệch của cánh hướng, n0 = 0,05 (m)

M’0 = 13658.5,2.1000.05,0.15,0)16

8,1.14,3( 2

(kGm)

- Lực lớn nhất tác dụng lên cánh hướng (tính đến ma sát thuỷ lực và ma sát

tại các ổ đỡ):

F0 = (1,2-1,3)F’0 = (9220-9988) (kG) (2-23)

Chọn F0 = 9600(kG)

- Mômen lớn nhất tác dụng lên cánh hướng (tính đến ma sát thuỷ lực và ma

sát tại các ổ đỡ):

M0 = (1,2 -1,3)M’0 = (163 - 177) (kGm)

Chọn M0 = 170 (kGm)

- Từ M0 ta tính được lực cần thiết của động cơ Servo tác dụng lên cánhhướng khi đóng hoàn toàn:

Fc = Z0. K 1. K 2.K 3. pl

M 0 (2-24)

- Ta xác định được các thông số theo tài liệu “Turbine thuỷ lực – các thiết bị

thuỷ lực và công trình trạm thuỷ điện”.

D = 3500 (mm)

D0 = 3800 (mm)




CHƯƠ NG III: TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU TỐC TURBINE

3.1. Đặt vấn đề.

Hệ thống điều tốc Turbine là một hệ thống điều khiển đa biến có mối liên hệ

phức tạp giữa điện cơ và điện từ. Khi nghiên cứu bài toán với những điều kiện ban

đầu, thông qua khai thác cơ sở và đo đạc thực tế ta thấy hệ mang tính phi tuyến

mạnh. Trước hết nghiên cứu quá trình điện từ tác động lên quá trình điện cơ ta thấy:

Với mỗi vùng tải (tải từ phía điện) sai số tốc độ khác nhau là rất lớn. Sai số tốc độ

tại vùng tải nhỏ là nhỏ nhất (với điều tốc dải rộng), vùng tải nằm trong mức 85% -

95% tải định mức là tươ ng đối nhỏ, vùng tải định mức thì sai số lớn hơ n và vùng tải

lớn nhất Nmax thì sai số lớn nhất. Như vậy, các quan hệ điện từ lên điện cơ không

hoàn toán tuyến tính. Khi nghiên cứu quá trình điện cơ lên điện từ cũng vậy với các

giá trị tốc độ khác nhau (trong lân cận cho phé p sai số tốc độ). Khi tốc độ nằm dưới

tốc độ định mức , sự sai khác điện áp là rất lớn. Trong khi đó cũng với sự sai khác

này, nếu tốc độ nằm ở phía dưới vùng tốc độ trên vùng tốc độ định mức thì sai khác

là nhỏ hơn nhiều. Như vậy hệ mang tính chất phi tuyến mạnh. Về sự tươ ng tác dây chuyền giữa các quá trình ta cũng thấy r õ. Giả sử nghiên

cứu quá trình nhận tải của máy phát, ngay tại thời điểm ban đầu điện áp ngoài việc

bị sụt mạnh do điện kháng đồng bộ, do phản ứng gây nên. còn do lúc đó tốc độ sơ

cấp bị sụt đột ngột vì hệ thống bơ m nhiên liệu chưa kịp phản ứng. Điện á p tại thời

điểm đó có độ sụt á p rất lớn dẫn đến hệ thống tự động điều chỉnh điện á p phải hoạt

động tạo tín hiệu cường k ích để tăng nhanh điện á p hao hụt. Cứ như vậy sau một

thời gian quá độ đủ để hệ thống tự ổn định.

Sự tác động của hệ thống điện từ lên điện cơ đó là do mômen máy phát,

mômen này chính là mômen phụ tải tác động lên hệ cơ. Mặt khác hệ tác động lên

điện từ chính là sự tác động của tốc độ chính, tốc độc cũng sẽ làm thay đổi điện áp

của máy phát.

Nh ư vậy sự tươ ng tá c giữa qu á trình điện cơ và điện từ l à một qu á trì nh phức

tạp, sự r à ng buộc mang t í nh chất d â y chuyền.




Á p dụng tiêu chuẩn tối ưu đối xứng ta có bộ điều chỉnh tốc độ là bộ điều chỉnh

PID có công thức:

R f = K p + K d.p + p

K i

Hàm chuẩn tối ưu đối xứng có dạng:

FDX(p) =3322

8841

41

pT pT pT

pT

(3-17)

Ta có:

Fh(p) = R f .S02 = R f . )1)(12)(1( pT Tp pT p

K

n (3-18)

Fk (p) = h

h

F

F

1 )1)(12)(1(.

.

pT Tp pT p K R

K R

n f

f

(3-19)

Hàm truyền đạt k ín của bộ điều tốc á p dụng theo tiêu chuẩn tối ưu đối

xứng:

Fk (p)= FĐX

)1)(12)(1(.

.

pT Tp pT p K R

K R

n f

f

= 3322

8841

41

pT pT pT

pT

)41)(1)(12)(1()1(.8.. 2

T T Tp pT pT T K R n f

)41)(12)(1(.8.. 2

T Tp pT pT K R f

(K p + K d.p + p

K i ) )41)(12)(1(.8. 2

T Tp pT pT K

Thực hiện phé p biến đổi ta được phươ ng trình hệ số của phươ ng trình đặc tính:

T T T K K

T K K T T T

T K K T T

i

p

d

6..8

..8.6.8

..8..8

2

22

22

(3-20)




5,43710.10.2.8

1010.6

..8

6

875)10.(10.2.810.10.6)10.(8

.8.6.8

5,010.2

10

33

33

2

233

3323

2

2

3

3

T K

T T K

T K T T T K

K

T K

i

p

d

(3-21)

Vậy bộ điều chỉnh tốc độ tìm được có hàm truyền là:

R f = 875+ p

5,437 + 0,5.p (3-22)

3.3.3. Mô phỏng hệ thống điều chỉnh Turbine.

Mô phỏng hệ thống điều chỉnh turbine bằng phần mềm Mathlab Simulink của:

“ The math Works”.

3.3.3.1. S ơ đồ cấu tr ú c bộ điều tốc trong Simulink.

Mạch vòng điều khiển vị tr í Hàm truyền tươ ng đươ ng

Hình 3-6a. S ơ đồ mô phỏng bộ điều khiển vị tr í.

Hình 3 -6b. S ơ đồ cấu tr úc hệ thống điều tốc




3.3.3.2. Kết quả mô phỏng.

Hình 3 – 7. Kết quả mô phỏng với thông số PID như tính toán

Hình 3 – 8: Khi t ăng hệ số Ki




Hình 3 – 9: Khi t ăng hệ số Kp.

Hình 3-10: Đồ thị khởi động Turbine và cho ăn tải sau 40 giây.



Luận văn tốt nghiệp Cao học

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

71

CHƢƠNG IV: NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ĐIỀU CHỈNH TURBINE

4.1. Giới thiệu chung: Lý thuyết điều khiển tối ưu tuyến tính kinh điển đã cải thiện được đặc tính động

học của các hệ thống, tuy nhiên ở một mô hình chính xác, các mô hình dưới dạng hàm

truyền trở nên phức tạp nếu số bậc đa thức quá lớn. Khi đơn giản hóa mô hình để phù

hợp với bài toán tổng hợp bộ điều chỉnh thì đặc tính động học của bộ điều chỉnh cũng

sẽ giảm. Gần đây, lý thuyết điều khiển tuyến tính hiện đại đã được ứng dụng rộng rãi

cho nhiều bài toán điều khiển, với sự trợ giúp mạnh mẽ của máy tính số, thời gian tính

toán đã được rút ngắn rất nhiều.

Phương pháp điều chỉnh tuyến tính LQ (Linear Quadratic) cho đối tượng có mô

hình trạng thái tuyến tính sẽ được tác giả ứng dụng để thiết kế bộ điều chỉnh tốc độ

Turbine thủy lực NMTĐ để nâng cao chất lượng điều chỉnh Turbine NMTĐ, cụ thể

cho các đối tượng là mô hình SS_LN_0 và SS_LN_1. Đây là các đối tượng phi tuyến

đã được tuyến tính hóa, xét ở lân cận điểm làm việc xác lập, có cấu trúc SISO và mang

đặc điểm của một hệ pha không cực tiểu.

Nội dung chương này sẽ trình bày tiếp cận phương pháp và tính toán, thiết kế các

khâu điều chỉnh và mạch vòng điều chỉnh LQ, bao gồm: điều chỉnh phản hồi âm trạng

thái LQR, điều chỉnh phản hồi đầu ra với tác động của nhiễu Gaussian LQG. Kỹ thuật

LTR áp dụng cho LQG cũng sẽ được tác giả đề cập để xét đến khả năng bộ điều chỉnh

LQG tiệm cận được chất lượng động học của LQR.

4.2. Cơ sở lý thuyết về điều chỉnh LQ.

4.2.1. Bộ điều chỉnh LQR .

Tính chất động học của bộ điều chỉnh LQR phải đảm bảo đưa hệ trở lại điểm cân

bằng (hoặc điểm làm việc) cũ nếu hệ bị tác động của nhiễu tức thời đánh bật hệ ra khỏi





72

điểm đó đến một điểm trạng thái khác, với yêu cầu chỉ tiêu chất lượng toàn phương

(Phiếm hàm mục tiêu):

t

t

T T dt t Fut t Ext u x

0

min)]()()()([2

1u(t))Q(x(t), (4.1)

phải là nhỏ nhất khi hệ thống quay trở về trạng thái cũ.

E R nxn

xác định bán dương và F R rxr xác định dương, tương ứng là ma trận

trọng số trạng thái E và điều khiển F, được quyết định bởi người thiết kế để mô tả mối

quan hệ giữa các trạng thái của đối tượng và chi phí của quá trình điều khiển.

Tuy nhiên cũng lưu ý rằng ta đang xét ở hệ lân cận điểm làm việc, tương ứng với

việc dịch chuyển gốc tọa độ của hệ đến điểm làm việc và xét ổn định với tín hiệu bé tác

động vào hệ này.

DuCxy

Bu Axdt

dx

(4.2)

Ta đã có:

A R nxn , B R nxm

, B11 R nxm

, C R rxn ,D Θ

Trong đó:

- Mô hình SS_LN_0: n = 5

- Mô hình SS_LN_1: n = 8

- Số biến đầu vào (biến điều khiển): m = 1.

- Số đầu ra: r = 1

Hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển phản hồi âm trạng thái được xác định:

.K .BFR T-1

LQR (4.3)

Với K là nghiệm xác định bán dương của phương trình đại số Riccati (CARE).

EK.A-.KA-.K.BK.B.F TT-1 (4.4)

Bộ điều chỉnh LQR đảm bảo mạch vòng kín ổn định với chất lượng được quyết

định bởi các ma trận trọng số E, F đã chọn. Có một số phương pháp được nhiều tác giả





73

đề nghị cho việc lựa chọn giá trị khởi đầu của các ma trận E, F. Tuy nhiên, E và F vẫn

phải được hiệu chỉnh một cách phù hợp để có được đáp ứng điều chỉnh tốt nhất bằng

cách thử nghiệm đáp ứng.

Hình 4.1 mô tả sơ đồ nguyên lý điều chỉnh LQR.

Từ sơ đồ nguyên lý bộ điều chỉnh LQR, ta có hàm truyền mạch vòng hở giữa u và

u~ của sơ đồ điều chỉnh LQR được xác định:

.BA)-.(sIK (S)H-1

LQR LQR (4.5)

Phương pháp điều khiển LQR đạt được chất động học rất tốt, tuy nhiên nó đòi hỏi

tất cả các biến trạng thái của quá trình đều phải đo được, điều này vừa không thực tế,

vừa không kinh tế trong mọi trường hợp.

4.2.2. Bộ điều khiển LQG.

4.2.2.1. Bài toán tuyến tính có nhiễu.

Mục tiêu của bài toán là làm sao có thể ước lượng được các trạng thái của mô

hình MNTĐ ở (4.2), loại được tác động của nhiễu vào hệ, đồng thời phiếm hàm mục

tiêu (4.1) đạt giá trị nhỏ nhất. Mô hình trạng thái hệ tuyến tính với sự tác động của

nhiễu được mô tả:

y

x

nCxy

n Bu Axdt

dx

(4.6)





76

Như vậy, về bản chất thì bộ điều chỉnh LQR và LQG đều có chung khâu điều

chỉnh R LQR. Sự khác biệt giữa chúng là ở bộ điều chỉnh LQG các biến trạng thái không

phải đo trực tiếp như LQR, mà chúng được ước lượng nhờ bộ quan sát Kalman. Chính

vì điều đó mà bộ điều chỉnh LQG có biên ổn định kém hơn bộ điều chỉnh LQR, nhưng

lại có khả năng kháng nhiễu tốt hơn LQR.

Hàm truyền mạch vòng hở giữa u và û của sơ đồ điều chỉnh LQR trên hình 4.3

được xác định:

.BA)-.LC.(sIL.C)B.K A-.(sIK (s)H -1-1

LQR LQR LQG (4.11)

4.2.2.4. Loop Transfer Recovery .

Phương pháp điều chỉnh phản hồi trạng thái LQR khó thực hiện được do nó yêu

cầu các trạng thái của hệ thống phải đo được. Việc sử dụng bộ quan sát Kalman để ước

lượng trạng thái của hệ thống từ tín hiệu ra là một giải pháp rất tốt để giải quyết vấn đề

trên, nhưng nó cũng làm cho đặc tính động học của bộ điều chỉnh LQR giảm chất

lượng.

Phương pháp Loop Transfer Recovery (LTR) dựa trên cấu hình của bộ điều chỉnhLQG, nhằm mang lại cho LQG đặc tính điều chỉnh tiệm cận đến đặc tính điều chỉnh

của bộ điều chỉnh LQR, dù có sự tồn tại của nhiễu, trong đó các ma trận nhiễu N x , N y

có vai trò quyết định đến phương pháp LTR.

Viết lại hàm truyền mạch vòng hở của LQR và LQG từ (4.5) và (4.11):

.BA)-.(sIK (s)H -1

LQR LQR (4.12)

.BA)-(sI.LC.L.C)B.K A-.(sIK (s)H -1-1

LQR LQR LQR

(4.13)

Với việc hiệu chỉnh hệ số P để N y = p. N o ( N o là ma trận phổ nhiễu đo) đạt giá trị

hợp lý, sao cho:





77

(s)H(s)H LQR LQG0

Lim (4.14)

Ta sẽ có được LTR, tức là bộ điều chỉnh LQG/LTR sẽ có đặc tính điều chỉnh của

LQR với cùng các ma trận trọng số E,F.

Để đạt được LTR, có thể kết hợp chọn B B Nx ,. , σ càng lớn thì hệ càng dễ đạt

đến LTR, nhưng cũng có thể có những tác động không mong muốn do hệ số khuyếch

đại của hệ. Tuy nhiên với hệ pha không cực tiểu, khi các điểm không phía bên phải trục

ảo không quá xa trục ảo, thì kỹ thuật LTR ít có hiệu quả.

4.3. Phân tích tính điều khiển đƣợc và quan sát đƣợc. 4.3.1. Phân tích tính điều khiển được.

Để thuận tiện trong việc trình bày, các hệ số của ma trận A được tính, có trị số

khác không sẽ được thể hiện bằng ký hiệu chỉ số của nó trong ma trận, các hệ số có trị

số bằng không sẽ được ghi rõ bằng chính trị số “0” của nó.

Ma trận hệ thống của mô hình S_LN_1:

888786858281

78

666361

55

454441

3332

2321

17

SS_LN_1

aaaa00aa

a0000000

00a00a0a

000a0000

000aa00a

00000aa0

00000a0a

00a00000

A





78

Ma trận hệ thống của mô hình S_LN_0:

55

45444

3332

2321

151211

SS_LN_0

a0000

aa00a

00aa0

00a0 a

a00aa

A

Với quan hệ của các biến và trị số của các phần tử ma trận, ta dễ dàng kiểm tra và

khẳng định được, ma trận hệ số SS_LN_1A và ma trận SS_LN_0A không suy biến với mọi

giá trị của biến quá trình, tức là 5A SS_LN_0

rank và 8A SS_LN_1

rank .

Tiêu chuẩn để xét tính điều khiển được cho hệ tuyến tính tham số hằng, thì điều

kiện cần và đủ để hệ tuyến tính (4.2) điều khiển được là:

n B A sI Rank , C, trong đó n là hạng của ma trận A.

Ta có:

* |, SS_LN_1 B A sI Rank

8888786858281

78

666361

555

454441

3332

2321

17

ba-saaa00aa

0as000000

000a-s00a0a

b000a-s0000

0000aa-s00 a

000000a-sa0

000000asa00a00000 s

Rank

* |, SS_LN_0 B A sI Rank





80

SS_LN_0|

,

C

B A sI Rank

0c000

a-s0000

aa-s00a

00a-sa0

00asa

a00aa-s

4

55

45444

3332

2321

151211

Rank

Cũng dễ thấy rằng:

C sC

B A sI Rank

8|,

SS_LN_1

C sC

B A sI Rank

5|

,SS_LN_0

Như vậy các hệ đang xét đều quan sát được trong toàn miền phức.

4.4. Thiết kế bộ điều chỉnh LQ.

4 .4.1. Thiết kế bộ điều chỉnh LQR.

Phần này sẽ xây dựng cấu trúc điều chỉnh LQR cho hai mô hình SS_LN_0 (các

biến trạng thái có thể đo được) và SS_LN_1 (một số biến trạng thái không đo được).

Với giả thiết các mô hình đang làm việc ổn định với tải pu P load 5,0 . Sau đó mô

phỏng với sự thay đổi tải của hệ để đánh giá chất lượng động học của bộ điều chỉnh.

4.4.1.1. Xây d ựng cấu trúc bộ điều chỉnh LQR.

Nhiệm vụ của khâu điều chỉnh LQR là làm cho hệ ổn định với nhiễu tức thời tác

động vào hệ, nó mang lại những yếu tố quyết định đến chất lượng của hệ là tính ổn

định, bền vững và thời gian đáp ứng. Tuy nhiên, với tác động của tín hiệu điều chỉnh





84

a: Đáp ứng tốc độ r b: Đáp ứng vị trí van G và công suất cơmec P

Hình 4.8: Đáp ứng điều chỉnh LQR của mô hình SS_LN_1 theo tải

a: Đáp ứng tốc độ r b: Đáp ứng vị trí van G và công suất cơ mec P


Nhận xét:

Trong cả hai mô hình SS_LN_0 và SS_LN_1, đáp ứng tốc độ có sự sụt tốc chỉkhoảng 0,02pu (2%) khi tải tăng đột biến với mức tăng lên đến 0,1pu (10% định mức,

20% so với mức tải xác lập). Hệ ổn định bền vững, có sai lệch tĩnh bằng và thời gian





86

Hình 4.10: Cấu trúc bộ điều chỉnh LQG

Hình 4.11: Mạch vòng điều chỉnh LQG phản hồi đầu ra

4 .4.2.2. Tính chọn tham số bộ điều khiển.

a. Mô hình SS_LN_1:

Chọn Nx =I8x8

, Ny = 10-1

.

Chọn nhiễu quá trình và nhiễu đo có biên độ xấp xỉ ±0,005pu (0,5%).

b. Mô hình SS_LN_0:

Chọn Nx =I5x5

.10-1

, Ny = 10-1

.

Chọn nhiễu quá trình và nhiễu đo có biên độ xấp xỉ ± 0,005pu (0,5%).





87

4 .4.2.3. Kết quả mô phỏng.

Kết quả mô phỏng đáp ứng điều chỉnh được trình bày ở hình (4.12) và (4.13).

a: Đáp ứng tốc độ r b: Đáp ứng vị trí van G và công suất cơmec P

Hình 4.12: Đáp ứng điều chỉnh LQG của mô hình SS_LN_1 theo tải và nhiễu

a: Đáp ứng tốc độ r b: Đáp ứng vị trí van G và công suất cơ mec P


4.4.2.4. Loop Transfer Recovery.

Trên cơ sở các bộ điều chỉnh LQR, LQG đã thiết kế, bây giờ ta xét đến đặc điểm

LTR đối với bộ điều chỉnh LQG. LTR thường được ứng dụng và có kết quả rất tốt đối





88

với hệ pha cực tiểu, với hệ pha không cực tiểu thì tác dụng của LTR không rõ ràng

hoặc chỉ có đáp ứng tốt nếu các điểm không phía bên phải trục ảo nằm xa trục ảo.

Áp dụng kỹ thuật LTR cho bộ điều chỉnh LQG đối với mô hình SS_LN_1, tachọn các ma trận hàm tương quan của nhiễu như sau:

N x =σ.B.B’ = B.B’ (σ =1); N y =ρ.N 0 = 10-5

(ρ=10-5; N 0=1)

Gọi bộ điều chỉnh LQG tương ứng với các tham số này là LQG/LTR.

Gọi bộ điều chỉnh LQG đã xét ở 4.4.2.2.a là LQG(1).

Ta cũng sẽ xét thêm một bộ điều chỉnh LQG với các ma trận nhiễu khác nhằm có

cái nhìn đầy đủ hơn về tác động của các ma trận này đến chất lượng điều chỉnh. Chọn

bộ điều chỉnh LQG(2): Nx = 10-1.I8x8 , Ny=10-3 .

Xét đáp ứng điều chỉnh tốc độ của LQR, LQG(1), LQG(2), và LQG/LTR khi có

sự tăng/giảm mức tải 0,1pu ở điểm làm việc 0,5pu, nhiễu hệ thống, nhiễu đo có biên độ

dao động khoảng ±0,005pu.

Kết quả mô phỏng được trình bày ở hình (4.14). Hình (4.15) mô tả chi tiết các

đáp ứng ở hình (4.14).

Đáp ứng tốc độ cho thấy bộ điều chỉnh LQG/LTR đã có hình dáng đáp ứng gần

giống với LQR, tuy nhiên nhiễu tác động vẫn chưa được triệt tiêu. Hai bộ điều chỉnh

LQG(1) và LQG(2) có hình dáng đáp ứng giống nhau, nhưng với sự giảm nhỏ Nx và Ny

nên tác động của nhiễu lên LQG(2) đã giảm, đường đặc tính của nó mịn hơn rất nhiều

so với LQG(1) và LQG/LTR.





89

Hình 4.14: Đáp ứng điều chỉnh tốc độ của LQR, LQG(1), LQG(2) và LQG/LTR

Hình 4.15: Chi tiết hình 4.14





90

* Nhận xét:

Với sự tác động của nhiễu hệ thống và nhiễu đo, trong cả hai mô hình SS_LN_0

và SS_LN_1, đáp ứng tốc độ của các bộ điều chỉnh LQG nói chung vẫn bị sụt tốc chỉkhoảng 0,02pu (2%) khi tải tăng đột biến với mức tăng lên đến 0,1pu. Hệ ổn định bền

vững và thời gian xác lập khoảng 40s (LQG(1), LQG(2)), thời gian quá điều chỉnh 1%

chỉ tồn tại trong khoảng 10s. LQG(2) cho đáp ứng mịn hơn nhưng vẫn không cải thiện

được thời gian xác lập.

Đáp ứng dạng răng cưa vẫn tồn tại với biên độ khoảng ±0,0005pu (0,05%) ở các

bộ LQG(1), LQG/LTR, nhưng bộ điều chỉnh LQG/LTR có chất lượng động học rất tốt,

với thời gian đáp ứng và quá điều chỉnh đã đạt được chất lượng của bộ điều chỉnh

LQR.

Từ kết quả mô phỏng, có thể nói các bộ điều chỉnh LQG đã loại được đến 90%

tác động của nhiễu hệ thống và nhiễu đo vào hệ.

4.5. Điều khiển LQ cho mô hình phi tuyến.

Nhằm đánh giá kết quả xây dựng các mô hình trạng thái phi tuyến SS_LN và chất

lượng động học của các bộ điều khiển tuyến tính đã được xây dựng, mục này sẽ trình

bày các kết quả mô phỏng mạch vòng điều chỉnh LQR, LQG, xét ở lân cận điểm làm

việc xác lập cho các đối tượng phi tuyến SS_NL_1 và LL_NL_0

Quá trình mô phỏng ứng với tải xác lập 0,5pu. Các bộ điều chỉnh LQR, LQG

được xây dựng cho mô hình tuyến tính hóa tại điểm làm việc 0,5pu.

4 .5.1. Điều khiển LQR cho mô hình phi tuyến.

Ở thời điểm t=25s, tăng tải cho hệ thêm 0,05pu và giảm 0,01pu ở thời điểm

t=175s (tương ứng +5% và -1% so với tải định mức, hay +10% và -2% so với tải xác





91

lập). Đáp ứng tốc độ r và mec P của hai mô hình SS_NL_1 và SS_NL_0 được so

sánh với kết quả của các mô hình tuyến tính hóa SS_LN_1 và SS_LN_0 (tương ứng

cùng chung bộ điều khiển), trình bày ở các hình (4.16) và (4.17).

a: Đáp ứng tốc độ r b: Đáp ứng công suất cơmec P


a: Đáp ứng tốc độ r b: Đáp ứng công suất cơ mec P

Hình 4.17 : Đáp ứng điều chỉnh LQ R của mô hình SS_LN_ 0 theo tải

Kết quả mô phỏng cho thấy:





93

- Mô hình SS_NL_1: Ứng với thay đổi 0,01pu, độ sụt tốc chỉ khoảng 0,0035pu

và lệch so với mô hình SS_LN_1 khoảng 0,0005pu, thời gian xác lập khoảng 8s và

không có sự khác biệt lớn giữa đáp ứng của hai mô hình. Khi có sự thay đổi tải 0,04pu,chênh lệch về độ sụt tốc khoảng 0,0022pu và quá điều chỉnh cũng không lớn (0,0055pu

so với 0,0028 với mô hình SS_LN_1). Thời gian xác lập không khác biệt, khoảng 20s.

a: Đáp ứng tốc độ r b: Đáp ứng công suất cơmec P


- Mô hình SS_NL_0: Đáp ứng tốc độ và công suất cơ rất chính xác so với đápứng của mô hình SS_LN_ 0. Chênh lệch về đáp ứng tốc độ gần như bằng 0, chênh lệch

về công suất cơ chỉ khoảng 0,0003pu ứng với mức thay đổi tải 0,04pu. Các chỉ tiêu

khác như thời gian xác lập, sai lệch tĩnh và sai lệch bám đều giống nhau.

4.6. Kết luận chƣơng.

Qua việc xây dựng cấu trúc các khâu điều chỉnh LQ, mạch vòng điều chỉnh, phân

tích kết quả mô phỏng đáp ứng điều chỉnh tốc độ cho hai mô hình SS_LN_0 vàSS_LN_1 đã cho thấy:

Các cấu trúc điều chỉnh LQ mà tác giả đã xây dựng thể hiện chất lượng động học

rất tốt, đáp ứng tốc độ với mạch điều chỉnh LQG có dao động rất nhỏ, khoảng





96

Về phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng thực hiện trong quá trình xây dựng cấu

trúc phi tuyến, mô hình trạng thái và các mạch vòng điều chỉnh:

Sự đồng dạng đáp ứng giữa mô hình SS_LN và SS_NL cho thấy khi xét ở mộtlân cận bé của điểm làm việc xác lập, các mô hình tuyến tính SS_LN thể hiện đầy đủ

và khá chính xác bản chất động học của mô hình phi tuyến SS_NL. Mô hình SS_NL_0

và SS_LN_0 sẽ rất hiệu quả để nghiên cứu ổn NMTĐ khi đường ống áp lực được chế

tạo bằng những vật liệu cứng (xem như cứng tuyệt đối và không có đàn hồi), khi đó có

thể sử dụng cấu trúc điều chỉnh LQR cho hệ, bởi 5 biến trạng thái của mô hình

SS_NL_0 đều đo được.

Các cấu trúc điều chỉnh LQ cho mô hình tuyến tính hoá cũng đã được tác giả xây

dựng thành công, đáp ứng tốc độ của tuabin khi có nhiễu tải tác động với độ lớn đến

0,1pu vẫn đảm bảo sụt tốc chỉ xấp xỉ 0,02pu với thời gian xác lập rất nhanh, bền vững

và sai lệch tĩnh rất bé. Các bộ điều chỉnh LQG và LQG/LTR ngoài việc đáp ứng nhanh

với sự thay đổi của tải, khả năng loại bỏ đến 90% tác động của nhiễu hệ thống và nhiễu

đo cũng là một kết quả tốt. Đặc biệt, kỹ thuật LTR đã mang lại cho bộ điều chỉnh LQG

chất lượng động học rất gần với bộ điều chỉnh LQR, tuy nhiên tác động của nhiễu lên

đầu ra vẫn tồn tại do đặc điểm của hệ pha không cực tiểu, khó tìm được LQG/LTR có

thể khử hoàn toàn tác động của nhiễu.

Cuối cùng, các bộ điều chỉnh được xây dựng từ việc tuyến tính hoá mô hình phi

tuyến được sử dụng để điều chỉnh cho đối tượng phi tuyến, sự sai lệch bé về độ sụt tốc

(lượng quá điều chỉnh <0,8% trong khi đó thông số này với bộ PID truyền thống là

5%) và sự đồng dạng về đáp ứng, cũng như các chỉ tiêu chất lượng khác như sai lệch

tĩnh, sai lệch bám và thời gian quá độ nhỏ, thời gian xác lập hầu như không thay đổi

đã khẳng định chất lượng động học của các bộ điều chỉnh đã được xây dựng.

Với kết quả đạt được như vậy, cho phép khẳng định rằng: luận văn đã tiếp cận và

xây dựng đúng phương pháp đối với mô hình toán, mô hình trạng thái của đối tượng.

Việc phân tích vai trò các khâu điều chỉnh, nguyên nhân tồn tại sai lệch tĩnh và đưa ra





97

giải pháp khử sai lệch tĩnh là hoàn toàn hợp lý, từ đó đã xây dựng đúng cấu trúc các

khâu điều chỉnh cũng như mạch vòng điều chỉnh, điều này đã được khẳng định một lần

nữa từ kết quả điều chỉnh mô hình trạng thái phi tuyến ở mục 4.5. Kết quả này hoàntoàn có thể đáp ứng được yêu cầu của các hệ thống thực, khi NMTĐ là một hệ phi

tuyến có quá trình động học phức tạp và các hằng số thời gian lớn.

Vì điều kiện thời gian, nên luận văn mới dừng lại ở mức độ thành công về mặt

điều khiển theo phương pháp LQ cho tốc độ Turbine thuỷ điện tốt hơn khi dùng

phương pháp điều khiển truyền thống (bộ điều khiển PID), trong đó hệ được xét ở lân

cận điểm làm việc xác lập. Việc kết hợp kỹ thuật chuyển mạch hay Gain-Scheduling để

có thể điều khiển đối tượng trên toàn dải tải, nghiên cứu xây dựng chương trình điều

k hiển để thử nghiệm trên thiết bị thuỷ lực là vấn đề mà tác giả dự định tiếp tục phát

triển nghiên cứu trong thời gian tới.

Xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của Thầy hướng dẫn và các thầy trong

khoa đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn. Kính mong các Thầy và các bạn

đồng nghiệp đóng góp ý kiến để kết quả nghiên cứu được tốt hơn.

Đieu khien turbine thuy dien

Documents